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Abhitzeanlage mit vielen Abhitzekesseln, die aus je einem heizmittelseitig
an den Kühlkreislauf eines Kernreaktors angeschlossenen Mantelrohr bestehen Die
Erfindung betrifft eine Abhitzeanlage mit vielen Abhitzekesseln, die aus
je einem heizmittelseitig an den Kühlkreislauf eines Kerrtreaktors angeschlossenen
Mantelrohr bestehen, in dem alle zur Erzeugung eines gespannten Dampfes erforderlichen
Dampferzeugerelemente hintereinander untergebracht sind, wobei der Vorwärmer und
der gegebenenfalls vorgesehene überhitzer aus mehreren parallel geschalteten Rohren
für Wasser oder Dampf besteht.
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Es ist bereits bekanntgeworden, zur Erzeugung hochgespannten überhitzten
Dampfes dienende Abhitzekessel, die eine Vorwärmer-, Verdampfer- und überhitzereinrichtung
aufweisen, in geringer Zahl z. B. zu einem Viererblock zus2mmenzuschalten. Bei diesen
bekannten zusammengeschalteten Abhitzekesseln beträgt das Verhältnis des Durchmessers
eines Kessels zu dessen Länge maximal etwa 1: 10. Die Unterbringung der Vorwärmer,
Verdampfer und Überhitzer ist bei Kesseln dieser Größenanordnung relativ einfach,
wird aber problematisch, wenn gemäß der Erfindung Kessel verwendet werden sollen,
deren Durchmesser nur etwa l/.. bis 1/60 ihrer Höhe beträgt. Eine
solche gegenüber dem Durchmesser große Länge der einzelnen Verdampferkolonnen soll
nun in Verbindung mit Kernreaktoranlagen angewendet werden, und zwar unter Vermeidung
von Dichtungsschwierigkeiten und zur Erzielung eines höchstmögliehen Wirkungsgrades,
wobei dann z. B. etwa 120 Kolonnen zusammenzuschalten sind. Bei solchen einigen
10 m hohen, z. B. 30 m hohen Mantelrohren mit einem Durchmesser von
etwa 0,5 bis 0,75 m ergibt sich ein Temperaturgefälle von etwa 200'
C. Eine Folge davon sind Wärmedehnungen, die zu Verbiegungen der Kolonne
führen. Es ist daher wichtig, daß die eingebauten Kesselelemente diesen Dehnungen
nachgeben können, ohne dabei undicht zu werden. Diese Aufgabe kann in an sich bekannter
Weise zunächst dadurch gelöst werden, daß die Kesselelemente, zumindest der Vorwärmer
und der Überhitzer, durch Rohrwendel gebildet werden, wobei mehrere dieser Rohrwendel
in ebenfalls an sich bekannter Weise parallel zusammengeschaltet werden.
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Durch diese an sich bekannten Maßnahmen allein ist es jedoch noch
nicht gelungen, einen optimalen Wirkungsgrad in bezug auf Wärmeübertragung, Raumausnutzung
und gleiche Austrittstemperaturen in je-dem Abhitzekessel bzw. jeder der z. B. 120
Kolonnen zu erhalten. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, bei jedem
der vielen an den Kühlkreislauf eines Kernreaktors angeschlossenen Abhitzekessel
optimale und untereinander gleiche Verhältnisse in bezug auf die Wärmeübertragung,
Raumausnutzung und gleichen Austrittstemperaturen zu erhalten.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß innerhalb eines
Mantelrohres mit einer Länge von einigen 101 m und einem Durchmesser von
1/(;(, bis l/." der Mantelrohrlänge die Rohre des Vorwärmers und des gegebenenfalls
vorgesehenen überhitzers zu koaxialen Rohrwendeln geformt sind, daß die jeweils
äußere Rohrwendel gegenüber einer benachbarten inneren Rohrwendel einen größeren
Rohrquerschnitt besitzt und daß die jeweils zwischen zwei Rohrwendehl gebildeten
Strömungswege für das das Mantelrohr durchströmende, Heizmittel im Querschnitt um
so größer sind, je größer ihr Abstand von der Symmetrieachse ist.
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Die Ausbildung dieser Rohrwendeln mit Rohren größeren Durchmessers
nach außen hin bietet einerseits eine dem vom Kernreaktor kommenden hocherhitzten
Heizmittelstrom angepaßte Gestaltung der Wärmeübertragungsffäche, um dadurch den
Wirkungsgrad dieser Kesselelemente wesentlich zu erhöhen, und zum anderen werden
hierdurch in besonders
günstiger Weise die Federungseigenschaften
der Kesselemente beeinflußt. Dadurch, daß auch noch die Zwischenräume zwischen den
Rohrwendeln entsprechend ihrem Querschnitt unterschiedlich groß gemacht sind, wird
gewährleistet, daß das Heizmittel unterschiedliche, der Menge des in, den Rohrwendeln
fließenden Mediums entsprechende Wärmemengen abgeben kann, wodurch die Austrittstemperaturen
praktisch einander gleichgehalten werden.
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Durch die erfindungsgemäße Ausführung wird durch Erhöhung des Wärmetauschwirkungsgrades
nicht nur eine bessere Euergieausnutzung herbeigeführt, sondern es kann vor allem
auch die für den Reaktorbetrieb notwendige, in Umlauf gesetzte Heizmittelmenge herabgesetzt
werden, so daß durch den verbesserten Wärmeaustauschwirkungsgrad zugleich auch der
Kühlungswirkungsgrad für den gesamten Reaktor wesentlich verbessert wird. Auch wird
durch die Verwärmer und Erhitzer nach der Erfindung eine möglichst gleichmäßige
Abkühlung des Heizmittels in allen Schichten des Kessels hervorgerufen, so daß in
dem den Kessel verlassenden Heizmittel keine nennenswerten zeitlichen und örtlichen
Temperaturschwankungen mehr auftreten und die im Heizmittelkreislauf liegenden Pumpen
bzw. Gebläse im Betrieb wesentlich geschont werden, ferner der erforderliche gleichmäßige
Betrieb des Reaktors hinsichtlich der Kühlung wesentlich verbessert wird.
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In den Zeichnungen ist eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 einen Abbitzekessel nach der Erfindung
im Vertikalschnitt und Fig. 2 schematisch die Reinigung von mehreren Leichtkessel
genannten Abhitzekesseln im Aufbau einer Anlage.
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Wie Fig. 1 erkennen läßt, hat das Mantelrohr a des Abhitze-
bzw. Leichtkessels einen gegenüber einer schon vorgeschlagenen Ausführung wesentlich
kleineren Durchmesser, der dort in der Größenordnung von einigen Metern liegt, wodurch
der Leichtkessel eine Einheit bildet, die im Bedarfsfall ohne Störung des Betriebes
einer mehrere solche Einheiten umfassenden thermischen Anlage abgeschaltet und gegebenenfalls
ausgebaut werden kann. Solche Einheiten a., a 21 ... a" können, wie
Fig. 2 in schematische,r Darstellung zeigt, in großer Zahl miteinander verbunden
werden, wobei jede Einheit den Dampf durch eine mit einem Absperrventil
11 ausgestattete Leitung 10 an ein Hauptsamnielrohr 12 der Anlage
liefert. Die Abmessungen der einzelnen Leichtkessel sind so gewÜhlt, daß ein Kessel
oder auch mehrere Kessel plötzlich von der Anlage abgeschaltet werden kann bzw.
können, ohne daß der übrige Teil der Anlage außer Betrieb kommt.
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In jedem Mantelrohr a können ein, zwei oder drei Darapfkesselabschnitte
mit verschiedenen Drücken angeordnet sein. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel
sind zwei Kesselabschnitte vorgesehen, nämlich ein im. oberen Teil des Leichtkessels
angeordneter, in Fig. 1 nur schematisch angedeuteter Hochdruckkessel
d mit einem Wassereinlaß x, und einem Dampfauslaß B, und ein im unteren Teil
des Leichtkessels angeordneter, ähnlich dem Hochdruckkessel ausgebildeter Niederdruckkessel,
der nachstehend näher beschrieben wird.
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Das das Mantelrohr a durchströmende Heizmittel tritt in der durch
die Pfeile A angedeuteten Richtung oben in das Mantelrohr ein und verläßt
dieses Rohr unten. Jeder Leichtkessel enthält eine aus einem Vorwäriner, aus Wasserrohrsystemen
und aus einem Cberhitzer bestehende Gruppe.
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Die für den eigentlichen Dampfkessel gewählte Anordnung ist ähnlich
der schon vorgeschlagenen Anordnung, unterscheidet sich jedoch von dieser dadurch,
daß in der Achse des Mantelrohres a ein Wasserbehälter e angeordnet ist, der sich
über die ganze Höhe des eigentlichen Dampfkesselabschnittes erstreckt. Dieser Wasserbehälter
kann im Bereich des Wasserspiegels eine Erweiterung aufweisen, um die Dampfabscheidung
zu erleichtern. An den Wasserbehälter e sind zwei Kränze von Teilsammelrohren h
und 1 angeschlossen, mit denen die Wasserrohrec verbunden sind, welche um
die Symmetrieachse im Querschnitt strahlenförrnig im Durchgangsweg des Heizmittels
A in abgestimmter Gruppierung und gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
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Der in Fig. 1. im unteren Teil des Leichtkessels dargestellte
Vorwärmer wird durch Rohrwendeln gebildet, Nach Fig. 1 sind drei parallel
geschaltete Strömungswege 1, 2, 3 vorgesehen. Die Rohre weisen einen
länghchen Querschnitt auf und haben nach außen gewölbte Seitenwände, durch welche
die zwischen zwei benachbarten Rohrwendeln verbleibenden Durchgangswege einen längs
der Strömungsrichtung veränderlichen Querschnitt erhalten. Die Rohre der in verschiedenen
Abständen von der Symmetrieachse liegenden Wendeln haben verschiedene Abmessungen,
wobei das die äußere Rohrwendel 1
bildende Rohr eine größere Oberfläche hat
als das die mittlere Rohrwendel 2 bildende Rohr, das seinerseits eine größere Oberfläche
als das Rohr hat, welches die der Mittelachse am nächsten liegende Rohrwendel
3
bildet.
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In der Achse des Vorwürmers ist ein Kernteil 4 angeordnet, durch welchen
das heiße Medium A gezwungen wird, die, Rohrwendeln 1, 2 und
3 zu bestreichen. Die Rohrwendeln können verschiedene Ganghöhen aufweisen.
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Die Rohre können ferner einen kreuzförmigen Querschnitt haben und
so angeordnet sein, daß die quer zur Strömungsrichtung des Mediums A in gleicher
Höhe liegenden Hohlrippen benachbarter Rohrwendel 1 und 2 bzw. 2 und
3 einander fast berühren, wodurch quer zur Strömungsrichtung des Mediums
A liegende Leitflächen entstehen, welche dem Heizmittel A beini Durchströmen
des Vorwärmers eine wendelförmige Strömungsrichtung erteilen.
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An der äußersten Rohrwendel 1 können die in der Strömungsrichtung
des Heizmittels A liegenden Hohlrippen benachbarter Windungen dieser Rohrwendel
in ähnlicher Weise aneinander anliegen und eine mit dem Mantelrohr a koaxiale zylindrische
Leitwandung bilden.
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Der überhitzer f ist, wie Fig. 1 erkennen läßt, in gleicher
Weise ausgebildet.
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Das durch das Einlaßrohr x zugeführte Wasser strömt durch die drei
parallel geschalteten Rohre 1, 2 und 3, sammelt sich in einem Sammelrohr
5 und tritt durch eine Leitung y von unten her in den Wasserbehälter
e ein. Im Inneren dieses Behälters stellt sich beispielsweise etwas oberhalb der
Teilsammelrohre h ein Wasserspiegel N-N ein, an dem sich praktisch bereits trockener
Dampf abscheidet, der aber trotzdem noch durch einen Wassexabscheider s, geleitet
wird, ehe er durch eine Leitung z in den überhitzer f eintritt, aus dem der
überhitzte Dampf durch einen Auslaß
B in der durch den
Pfeil angedeuteten Richtung abströmt.
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Die beschriebene weitergebildete Ausführungsform des Leichtkessels
kann selbstverständlich im Rahmen der Erfindung in Einzelheiten noch abgewandelt
werden.