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Mit flüssigem Metall beheizter Wärmeaustauscher, insbesondere Dampferzeuger
Die Erfindung bezieht sich auf einen mit flüssigem ',setall als Heizmittel betriebenen
Wärmeaustauscher hw. Dampferzeuger.
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Die Verwendung von erhitztem flüssigem Metall -1s Heizmittel bei Dampferzeugern
ist allgemein bekannt. Quecksilber benutzende Dampferzeuger wurcl°n bereits vor
vielen Jahren einsgesetzt, wobei in neuerer Zeit Natrium, Wismut und NaK, d. h.
eine Verbindung von Natrium und Kalium, als günstigere wrirmeübertragende Mittel
bekanntgeworden sind. Dampferzeuger, die die drei zuletzt erwähnten Metalle, insbesondere
Natrium, verwenden, machen besondere Vorsichtsmaßnahmen erforderlich, um der Ifglichkeit
einer Reaktion zwischen Wasser und erhitztem, flüssigem Metall zu begegnen. Um :diese
Ge-L.hr zu vermeiden, ist bisher eine sogenannte Doppel -rohranordnung verwendet
worden, durch welche ein ingförmiger Raum gebildet wird, der durch ein drittes Medium
ausgefüllt ist, das sowohl als ein Zwi-,;chenübertragungsmittel als auch als Anzeigemittel
dient, um Leckagen zwischen dem Wasser und dem flüssigen Natriumkreislauf anzuzeigen.
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Für durch flüssiges Metall gekühlte Kernreaktoren ist auch schon die
Anwendung eines Inertgaspolsters zur Aufrechterhaltung eines bestimmten Niveaus
und Druckes des flüssigen Metalls bekanntgeworden. Es tritt hier jedoch nicht die
Gefahr einer Alkalimetall-Wasser-Reaktion auf.
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Bei den heute in Gebrauch befindlichen Wärmeaustauschern mit flüssigem
Metall hat es sich auch gezeigt, daß das flüssige Metall verschieden temperierte
Schichtungen bildet, welche Temperaturdifferenzen erzeugen, die gefährliche thermische
Beanspruchungen in der Wandung des Dampferzeugers hervorrufen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Dampferzeuger zu schaffen,
in welchem das flüssige heiße Metall als Wärmeübertragungsmittel verwendet werden
kann, während gleichzeitig ausreichende Sicherheitsvorkehrungen für den Fall, daß
das flüssige, erhitzte Metall mit Wasser in Reaktion gelangt, vorgesehen sind. Zusätzlich
vermeidet die erfindungsgemäße Konstruktion .aber weiterhin die gefährlichen Folgen
von Temperaturschichtungen im flüssigen Metall und verhindert dadurch die aus diesen
Schichtungen resultierenden gefährlichen thermischen Beanspruchungen der Wandungen.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß in dem
äußeren vertikal .stehenden Druckkessel ein oben offener Behälter konzentrisch zu
diesem angeordnet wird, wobei der durch die zwischen dem Innenbehälter und dem Druckkessel
gebildeten Räume und dem Zwischenraum zwischen der Wandung des Behälters und dem
Druckkessel gebildete Gasraum mit einem inerten Gas gefüllt ist und innerhalb des
Behälters Rohrschlangen zur Aufnahme des beheizten Mittels vorgesehen werden.
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Durch diese Ausbildung bilden das Oberteil .des Innenraums des Behälters
und die zwischen dem Behälter und dem eigentlichen Druckkessel bestehenden Räume
eine mit inertem Gas gefüllte Gesamtheit, die ein Gaspolster schafft, wodurch ein
verhältnismäßig großer Gasraum über dem Natriumspiegel geschaffen wird. so daß sich
im Fall einer Reaktion zwischen Wasser und Metall keine plötzliche Druckwelle ausbilden
kann, sondern ein relativ langsamer Druckanstieg eintritt. Da gemäß einem weiteren
Merkmal der Erfindung der eigentliche Druckkessel mit Sicherheitsvorrichtungen versehen
ist, die auf eine Druckerhöhung ansprechen, werden sie unmittelbar bei der Reaktion
zwischen Wasser und Metall in Funktion treten und den Dampferzeuger stillsetzen.
Nach der Erfindung wird also nicht wie bei der sogenannten Doppelrohranordnung mit
dem Zwischenübertragungs- und Anzeigemittel mit sehr großem technischem Aufwand
die Alkali-Wasser-Reaktion grundsätzlich verhindert, sondern die Reaktion wird -falls
sie bei einer Leckage eintreten sollte - in beherrschbare Bahnen gelenkt. Diese
Lösung ist wesentlich
weniger aufwendig als :die Lösung mit dem
Zwischenübertragungs- und Anzeigemittel.
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Weitere Vorteile und Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehen
aus .der nachfolgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung hervor. Die Zeichnung
zeigt in Fig.1 einen lotrechten Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Dampferzeuger,
in Fig. 2 einen Horizontalschnitt gemäß der Linie 11-11 in Fig. 1, in Fig. 3 eine
schematische Ansicht der wendelförmig gewundenen Rohre gemäß der Erfindung, in.
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Fig. 4 in vergrößertem Maßstab .einen Schnitt durch ein Rohrbündel
und in Fig.5 in größerem Maßstab eine Rohrdurchführung im Behälterboden an einer
mit V bezeichneten Stelle in Fig.1.
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In Fig.1 ist mit 1 ein vertikal angeordneter, langgestreckter zylindrischer
Mantel bezeichnet, der an seinem oberen und unteren Ende durch etwa elliptisch geformte
Böden 2 und 3 verschlossen ist, so daß auf diese Weise der Druckkessel
4 gebildet wird. Ein zylindrisch ausgebildeter Behälter 5, dessen
oberes Ende 6 offen ist und dessen unteres Ende 7 etwa elliptisch
gewölbt geschlossen ist, ist :innenhalb des Druckkessels 4 konzentrisch mit der
Achse des Druckkessels angeordnet. Die Wandstärke. des Behälters 5 ist vorzugsweise
geringer als die des Druckkessels 4.
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Der Behälter 5 ist innerhalb :des Mantels 1 mit einem gewissen Abstand
von der Wand des Druckkessels angeordnet, so daß ein kleinex ringförmiger Spalt
8 entsteht. Außerdem ist der Behälter längs der Vertikalachse des Druckkessels
4 so angeordnet, daß offene Räume 9 und 10 von erheblicher Größe zwischen
dem oberen und unteren Ende 6 und 7 :des Behälters und den: Böden 2 und
3 des Druckkessels gebildet werden. Diese offenen. Räume 9 und 10 bilden
zusammen mit dem ringförmigen Raum 8 einen ununterbrochenen Gasraum 11, der
:den: Behälter 5 vollständig umgibt.
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Innerhalb :des Behälters 5 ist ein Verdrängungskörper
12 konzentrisch zu der vertikalen Achse des Druckkessels 4 angeordnet.
Dieser Verdrängungskörper 12 ist im Querschnitt ringförmig und hat einen
Durchmesser von etwa einem Drittel .des Behälters 5,
so daß zwischen ihm und
.dem Behälter ein Ringraum 13 gebildet wird. Die vertikale Abmessung des
Verdrängungskörpers 12 ist geringer als die des Behälters 5, und der
Verdrängungskörper ist so angeördnet, daß .ein oberer und unterer offener Raum
14, 15
innerhalb -des Behälters an beiden Enden des Verdrängungskörpers gebildet
wird.
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Ein Bündel wendelförmiger Rohre 16 ist .innerhalb des Ringraums
13 vorgesehen und um den Verdrängungskörper 12 gewunden. Die vertikale
Höhe des Rohrbündels 16 ist etwa gleich der Länge des Verdrängungskörpers
12. Die Rohre 16 sind in einer Anzahl konzentrischer, vertikal angeordneter,
ringförmiger Lagen angeordnet. Jedes dieser Rohre 16 ist in einer dieser
ringförmigen Lagen schraubenförmig gebogen, wie beispielsweise 16 a, 16
b und 16 c in Fig. 3, wobei die Ganghöhe der Schraubenlinien sich entsprechend
dem Durchmesser der ringförmigen Lagen vergrößert. Durch die entsprechende. Zuordnung
von Durchmesser und Ganghöhe wird jedes Rohr 16 innerhalb des Bündels im
wesentlichen in gleicher Länge ausgebildet, so daß :das in die Rohre .eintretende
beheizte Mittel gleiche Durchflußlängen vor sich hat. Auf diese Weise wird für die
einzelnen Rohre innerhalb des Rohrbündels in an sich bekannter Weise die gleiche
Durchsatzmenge ermöglicht, gleichgültig, in welcher ringförmigen Lage sie liegen.
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In Fig. 4 ,ist die Halterungsanordnung für die Rohre 16 innerhalb
des Ringraums 13 dargestellt. Das wendelförmig gewundene Rohrbündel
16 wird an dem Boden 2 des Druckkessels :durch vertikal angeordnete
Tragmittel 17 .aufgehängt, welche von Ösen 18 ,getragen werden. Das
Rohrbündel ist freihängend in dem Behälter 5 angeordnet. Es ist an dem Behälter
nicht befestigt.
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Ein oberes Tragelement 19 ist am unteren Ende des Tragelementes
17 befestigt. Das Element 19 ist am oberen Ende der Leitung
12 in einer Ebene senkrecht zur Vertikalachse des Druckkessels vorgesehen
und besteht aus einer Anzahl von radial angeordneten Armen 19 a, die zwischen
einem äußeren und inneren Ring 19 c und 19 b angeordnet sind. Der innere
Ring 19 b ist um die Leitung 12 und der äußere Ring 19 c innerhalb
des Behälters 5 eingepaßt. Diese Ringe sind mit Abstand von den an sie grenzenden
Elementen vorgesehen, so daß sie sich relativ zu diesen verschieben können. Ein
unteres Tragelement 20, welches im wesentlichen ,gleich dem oberen Tragelement
19 ausgebildet ist, liegt am unteren Ende des Verdrängungskörpers 12 und
kann sich ebenfalls relativ zu dem Verdrängungskörper 12 und dem Behälter
5 bewegen.
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Eine Anzahl. von vertikal angeordneten Tragstangen 21 ist an
ihrem oberen und unteren Ende jeweils an dem oberen und unteren Tragelement
19, 20 befestigt. Diese Tragstangen21 sind so angeordnet, daß die längere
Seite ihres Querschnitts gegenüber dem Druckkessel in. der radialen Ebene liegt.
Die innere Kante der Tragstangen 21 ist eingeschnitten, um auf diese Weise
eine Auszapfungen und Einkerbungen 22c bildende Oberfläche zu schaffen und eine
längere vertiefte Fläche 22b, wobei jeder Abschnitt im wesentlichen .die
gleiche Länge aufweist. Jede. der wendelförmig gewundenen Rohrschlangen wird von
der ausgezackten Fläche 22a getragen. Die gerade Ausnehmung 22b verleiht
den Rohren keinerlei tragende Wirkung und ermöglicht damit Bewegungen, die auf Grund
der verschiedenen Ausdehnungen zwischen den Rohren 16, den Tragstangen
21 und der Wandungl des Druckkessels bestehen. Die rückwärtige Fläche der
Tragstäbe ist nicht ausgezackt und ist nahe an der nächsten Rohrlage 16 angeordnet.
Jede ringförmige Lage der Rohre 16 weist eine Anzahl von Tragstangen
21 auf, die längs ihrer äußeren Peripherie liegen. Horizontal angeordnete
Tragzapfen 23 sind in vertikalem Abstand längs der Tragstangen angeordnet,
um diese in entsprechender Lage und Ausrichtung zu halten.
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Ein U-förmig ausgebildeter erster Flüssigkeitssammler 24 ist
um das untere Ende des Druckkessels außerhalb desselben angeordnet. Auf der der
Tragvorrichtung für den Sammler 24 gegenüberliegenden Seite sind Einlaßrohre
25 für das beheizte Mittel vorgesehen, die sich zuerst aufwärts und dann
.einwärts erstrecken und den Mantel 1 des Druckkessels 4 an einem
Punkt unterhalb des Behälters 5 durchdringen. Um die Rohire 25 sind
im Bereich, wo diese die Außenwand des Druckkessels durchdringen, thermische Ausdehnungsbuchsen
angeordnet. Nachdem die Rohre den Außenmantel durchdrungen haben, werden
sie
aufwärts geführt und führen durch das untere Ende des Behälters, wobei wiederum
entsprechende Ausdehnungsmittel 26 und 27 vorgesehen sind. Diese Ausdehnungsmittel
verhindern die Entwicklung von steilen Temperaturgradienten in den benachbarten
Wandungen. Die Wärmemuffe 27 .ist vollständig und fest mit der Durchführungsmuffe
26 verbunden.
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Die Einlaßrohre 25 haben einen geringeren Durchmesser als die
wendelförmig gewundenen Rohre 16 und ermöglichen damit einen aus'reichende'n Durchflußwiderstand,
um dadurch den Fluß .durch die einzelnen Rohre gleichmäßig zu halten.
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Am oberen Ende des Rohrbündels innerhalb des Ringraums 13 sind
Auslaßrohre 28 angeordnet, die sich im allgemeinen aufwärts parallel zur
Vertikalachse des Druckkessels 4 erstrecken. Die Auslaßrohre 28 führen nach
oben zu einem Punkt oberhalb des Kopfes des Behälters, an welchem sie in eine horizontale
Ebene umgebogen werden und durch den Mantel 1 des Druckkessels führen. Anden Stellen,
an welchen diese Rohre durch den Druckkessel 4 führen, sind ebenfalls thermische
Ausdehnungsmittel vorgesehen. Außerhalb des Druckkessels werden die Rohre wiederum
vertikal nach oben abgebogen und erstrekken sich bis zu einem ersten Auslaßsammler
29. Der Auslaßsammler 29 ist ebenfalls U-förmig gebogen und in einer parallel mit
dem ersten Sammler 24 liegenden Ebene angeordnet, und zwar oberhalb des Bodens
des Druckkessels 4. Die Auslaßrohre 28 münden in den Auslaßsammler
längs der diesen Sammler unterstützenden Tragvorrichtungen. Die Rohranordnung gemäß
Fig. 2 zeigt deutlich das Schema, nach welchem die Auslaßrohre angeordnet sind.
Diese Anordnung ist ebenfalls typisch für die Einlaßrohre 25.
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Für das Heizmittel ist am Kopf des Druckkessels, und zwar konzentrisch
zu der vertikalen Achse desselben, ein Einlaß 30 angeordnet. Eine Diffusoranordnung
31 ist .an ihrem oberen Ende an dem Einlaß 30
für das Heizmittel vorgesehen,
erstreckt sich vertikal abwärts zu einem nahe dem Verdrängungskörper 12
liegenden
Punkt. Der Diffusor 31 ist kreisförmig und divergiert nach abwärts, so daß
möglichst viel Druckenergie gewonnen wird, bevor das Mittel aus dem Diffttsor austritt.
Ein Deflektor 32 ist über .das obere Ende des Verdrängungskörpers vorgesehen
und bildet für diesen eine Dichtung. Der Deflektor liegt unmittelbar unterhalb des
Diffusors und verteilt den Fluß gleichmäßig auf die offenen Räume 14, welche
einen Eimaß für den Ringraum mit dem Heizmittel bilden.
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Eine Plattendichtung 33 ist am unteren Ende des Verdrängungskörpers
12 vorgesehen, um Leckagen des Heizmittels in diesen Raum zu verhindern.
Ein offener Raum 15 zwischen dem unteren Ende des Verdrängungskörpers 12
und dem unteren Ende des Behälters 5 bildet eine Kammer, um das Heizmittel aufzunehmen.,
nachdem dieses über die wendelförmigen Rohrwindungen geflossen ist. Eine Auslaßleitung
34 für das Heizmittel steht in Verbindung mit dem unteren offenen Raum 15.
Diese Auslaßleitung 34, die den Behälter trägt, ist an ihrem oberen Ende .am Boden
des Behälters befestigt und erstreckt sich nach unten zu und durch den Boden 3 des
Druckkessels 4.
Diese Auslaßleitung 34 liegt unmittelbar unterhalb
des Verdrängungskörpers 12 und ist konzentrisch zu der vertikalen Achse des
Druckkessels angeordnet. Die Verbindung zwischen der Auslaßleitung und dem Druckkessel
ist so ausgebildet, daß sie eine thermische Muffenkonstruktion darstellt, die thermische
Ausdehnungen de.r Wand, die den Druckkesselboden bildet, verhindert.
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Ein Tragrand 35 ist an der Außenseite des Mantels 1 des Druckkessels
4 an einem Punkt unmittelbar oberhalb des Bodens 3 vorgesehen. Der Rand wird durch
einen vertikal angeordneten Zylinder gebildet, der sich nach abwärts erstreckt,
wo er mit entsprechenden Flanschen 36 versehen ist.
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Eine Gaseinlaßleitung 37 ist im Mantel 1 des Druckkessels
4 an einem Punkt oberhalb des oberen Endes des Behälters 5 vorgesehen, um
hierdurch inerte Gase zu dem Gasraum 11 zu führen, welcher den Behälter vollständig
umschließt. An der Basis des Druckkessels ist eine Verbindung 38 vorgesehen,
die durch den Boden 3 reicht, um dadurch kondensiertes Natrium aus dem Gasraum abzuführen.
Eine Gaszuführungsleitung 39 erstreckt sich oberhalb und innerhalb der Auslaßleitung
34 von einem Punkt außenhalb des Druckkessels, um dadurch inerte Gase in
den Verdrängungskörper 12 einzuspeisen. Die Einlaßl:eitung 39 reicht durch
die Platte 33 des Bodens der Leitung und endet an diesem Punkt. Ein Entlüftungsstutzen
40 hat seine Einlaßöffnung am oberen Teil des Verdrängungskörpers
12 und erstreckt sich vertikal nach unten innerhalb der Leitung durch die
Platte 33 und führt dann nach draußen durch die Auslaßleitung 34
zu
einem Punkt außerhalb des Druckkessels. Eine Anzahl von Schaulöchern 41 sind in
der Wandung des Druckkessels und des Behälters 5 vorgesehen, um dadurch .eine
Kontrolle und unter Umständen Reparatur der Rohre ohne weiteres vornehmen zu können.
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Vier Sicherheitsventile 42 sind am oberen Ende des Behälters vorgesehen,
um bei unter Umständen auftretenden überhöhten Druckbeanspruchungen des Behälters
in Tätigkeit zu treten.
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Im nachfolgenden wird die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beschrieben. Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das beheizte Mittel, welches
verdampft werden soll und innerhalb der wendelförmigen Rohre fließt, Wasser und
das Heizmittel, welches als Wärmetransportmittel wirkt, erhitztes, flüssiges Natrium.
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Das flüssige Natrium tritt in den Druckkessel 4
durch die Einlaßleitung
30 ein und fließt abwärts durch den Diffusor 31. Während des Flusses
des flüssigen Natriums im Diffusorteil fließt es gleichzeitig, durch den Deflektor
32 bedingt, in die offenen Räume 14. Die Höhe des Natriums in der Einlaßkammer
wird durch den Druck des inerten Gases in den Gasraum 11 über dem Behälter
5 kontrolliert. Auf diese Weise wird ein normaler Spiegel 43 des Natriums
gemäß Fig. 1 innerhalb der Kammer aufrechterhalten.
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Von dieser Kammer fließt das Natrium abwärts durch den ringförmigen
Raum 13 über die Rohrwindungen 16 und gibt hierbei seine Wärme ab. Der erforderliche
Abstand zwischen den Rohren innerhalb der ringförmigen Lagen ergibt den erforderlichen
Kontakt zwischen dem Natrium und der Oberfläche der Rohre. Die Tragstäbe
21, welche die Rohre haltern, sind parallel zum Fluß des Natriums angeordnet
und behindern diesen dadurch nicht.
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Am unteren Ende des ringförnllgen Raums fließt das Natrium in den
unteren offenen Raum 15 oder in die Auslaßkammer, die unmittelbar unterhalb des
unteren Endes der wendelförmigen Rohre angeordnet ist. Von hier aus gelangt das
Natrium über die Auslaßleitung 34 zu einem Punkt außerhalb des Druckkessels.
Das
zu verdampfende Wasser tritt durch den U-förmig ausgebildeten Sammler 24 von einer
nicht dargestellten Quelle aus ein. und gelangt über :die Rohre 25 zu dem unteren
Ende der wendelförmig gewickelten Rohre. Wie bereits ausgeführt, sind, um den Fluß
stabil zu halten, die Einlaßrohre kleiner ausgebildet als die Rohre in dem Wärmeübertragungsbereich.
Das nach Eintritt in die Rohre in Wärmeaustausch mit dem flüssigen Natrium stehende
Wasser nimmt die Wärme des Natriums auf und wird dadurch verdampft oder überhitzt,
bevor es das obere Ende der wendelförmigen Rohrschlangen erreicht. Der Dampf fließt
vom oberen Ende der Wärmetauscherrohre zu .den Dampfauslaßsummlern 29 und dann zu
dem entsprechenden Verwendungspunkt.
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Bei der vorliegenden erfindungsgemäßen Konstruktion wird das Heizmittel
innerhalb des Behälters gehalten. Der Behälter ist an allen seinen Stellenetwas
von dem Druckkessel entfernt, so .daß das durch den Behälter fließende außerordentlich
heiße Heizmittel nicht in Kontakt mit den Wänden des Druckkessels gelangt, so daß
also auch hier keine außergewöhnlichen Temperaturgradienten entwickelt werden können.
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Weiterhin ermöglicht aber die neue Konstruktion auch den Verzicht
auf doppelte Rohre uni dicke Rohrplatten. Doppelte Rohrwandungen sind .deshalb nicht
erforderlich, da ein inerter Gaszwischenraum, welcher den Behälter vollkommen umgibt,
einen genügenden Sicherheitskoeffizienten gegen eine Wechselwirkung zwischen dem
flüssigen Metall und dem Wasser ergibt. Die Erfindung schafft daher einen wesentlich
wirtschaftlicheren und einfacheren und trotzdem ausreichend sicheren. Wärmeaustauscher
gegenüber den bisher bekannten Modellen.
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Die wendelförmigen Rohrbündel zeitigen zugleich mehrere Vorteile.
Einmal bildet die Zusammenfassung der Rohre eine wirksame Verhinderung der Temperaturschichtungen,
die in mit flüssigem Metall arbeitenden Dampferzeugern verschiedene Temperaturstufen
in den Rohren hervorrufen. Zweitens ermöglichen diese Rohre eine maximale Länge
.innerhalb des Behälters auf eine gegebene vertikale Höhe. Da weiterhin alle Rohre
im wesentlichen die gleiche Länge aufweisen, wird auch das verdampfende Mittel deich
erhitzt. Außerdem ermöglicht .die neue Rohrbefestigung, die verschiedene Ausdehnung
der Rohre zu beherrschen, ohne daß sich die Rohre gegenseitig behindern.