DE1225199B - Waermeuebertragersystem einer Atomreaktoranlage mit im Zwangdurchlauf arbeitendem Waermeuebertrager - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. CL:

F22c

Deutsche Kl.: 13 g-3/01

Nummer: 1225 199

Aktenzeichen: S 642851 a/13 g

Anmeldetag: 4. August 1959

Auslegetag: 22. September 1966

Die Erfindung betrifft ein Wärmeübertragersystem einer Atomreaktoranlage mit im Zwangdurchlauf arbeitendem Wärmeübertrager, der aus zwei in Serie geschalteten Teilen besteht und in welchem ein mit konstanter Temperatur eintretendes Wärme-Übertragungsmedium im Gegenstrom Wärme an ein verdampfbares Arbeitsmittel abgibt.

Derartige Wärmeübertragungssysteme finden z. B. bei Atomkraftanlagen Verwendung. Das die Wärme abgebende Medium ist das meistens gasförmige Reaktorkühlmittel. Durch eine Regeleinrichtung werden dessen Temperaturen beim Eintritt und beim Austritt aus dem Wärmeübertragungssystem konstant gehalten. Diese Temperaturen liegen mit Rücksicht auf den Reaktor in einem Bereich, in welchem »5 keine nennenswerte Wärmestrahlung mehr erfolgt, und es wird praktisch alle Wärme im Wärmeübertragungssystem durch Konvektion übertragen. Die durch Leistungsänderungen bedingten Änderungen der übertragenen Wärmemenge kommen dadurch zustände, daß die Umlaufgeschwindigkeit des Reaktorkuhlmittels verändert wird. Gleichzeitig wird infolge verminderter Dampfabgabe auch die Durchlaufgeschwindigkeit des Arbeitsmittels — meistens Wasser — geringer. Das hat zur Folge, daß sich je nach der übertragenen Wärmemenge der Verdampfungsendpunkt des Arbeitsmittels im Übertragungssystem verschiebt, und zwar bei der üblichen Gegenstromanordnung mit sinkender Last in bezug auf das Arbeitsmittel stromabwärts. Bei kleinen Lasten entsteht im Verdampfungsteil des Systems, d. h. in dem Teil, in welchem sich das Arbeitsmittel in flüssigem Zustand befindet, die Gefahr einer Strömungs- und Wärmeübergangsinstabilität.

Nach der Erfindung wird der erwähnte Nachteil dadurch beseitigt, daß zwischen dem aus zwei in Serie geschalteten Teilen bestehenden Wärmeübertrager in an sich bekannter Weise ein Flüssigkeitsabscheider eingeschaltet ist, wobei von diesem aus eine Rückführleitung für abgeschiedenes Wasser zum Eingang des Wärmeübertragersystems zurückführt, und daß die Arbeitsmittelspeisemenge beeinflussende Regelorgane vorgesehen sind, um in den Flüssigkeitsabscheider unterhalb der vorbestimmten Teillast (40 bis 60% der Vollast) ein Dampf-Flüssigkeits-Gemisch, bei Vollast jedoch überhitzten Dampf eintreten zu lassen.

Es ist bei Zwangdurchlaufdampferzeugern, die mittels fossilen Brennstoffs beheizt sind, bekannt, Wasserabscheider am Ende der Verdampfungszone anzuordnen. Derartige Dampferzeuger haben jedoch keine Gegenstromanordnung. Da ein Teil der Heiz-Wärmeübertragersystem einer Atomreaktoranlage mit im Zwangdurchlauf arbeitendem
Wärmeübertrager

Anmelder:

Gebrüder Sulzer Aktiengesellschaft,

Winterthur (Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Ing. H. Marsch, Patentanwalt,

Düsseldorf, Lindemannstr. 31

Als Erfinder benannt:

Dr.-Ing. Paul Profos, Winterthur (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:
Schweiz vom 17. Juli 1959

flächen dieser Dampferzeuger der Strahlungswärme und ein Teil der Konvektionswärme ausgesetzt ist, werden üblicherweise diese Heizflächen unter anderem so kombiniert, daß eine minimale Verschiebung des Verdampfungsendpunktes auftritt. Es ist auch bekannt, bei derartigen Dampferzeugern Wasserabscheider am Ende der Verdampfungszone anzuordnen. Diese sind dann bei jeder Kessellast in Betrieb und schlämmen dauernd einen Teil des Arbeitsmittels ab.

Beim erfindungsgemäßen Wärmeübertragersystem wird der bei der Gegenstromanordnung auftretenden Wanderung des Verdampfungsendpunktes nicht entgegengewirkt, sondern diese wird zur Beseitigung der Gefahr einer Strömungsinstabilität bei Teillast ausgenutzt. Bei größerer Last bzw. Vollast wird der erfindungsgemäß vorgesehene Wasserabscheider mit überhitztem Dampf durchgefahren, d.h., es erfolgt keine Abscheidung. Dadurch werden die bekanntlich mit der Abscheidung verbundenen Verluste bei größerer Last, wo sie ins Gewicht fallen, vermieden.

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Vorteilhafterweise wird dabei der Wasserabschei- Mindestens teilweise — auf einzelnen Strecken und

der an einer Stelle angeordnet, an der sich bei Teil- in einzelnen Gruppen — strömen dabei die beiden

last von 40 bis 60 °/o der Verdampfungsendpunkt be- Medien im Gegenstrom zueinander. Vom ersten

findet. Dadurch wird die Last bestimmt, bis zu wel- Medium werden die Rohre des Teils III .zuerst, dann

eher eine Rückführung des abgeschiedenen Arbeits- 5 die Rohre des Teils II und schließlich die Rohre des

mittels erfolgt. Darüber hinaus wird auf die Rück- Teils I außen bestrichen, während im Gegenstrom zu

führung verzichtet. dieser Strömung von Gruppe zu Gruppe das zweite

Weitere Merkmale der Erfindung und die dadurch Medium zuerst durch die Rohre des Teils I, dann

erzielten Vorteile sind aus der folgenden Beschrei- durch die Rohre des Teils Π und schließlich durch

bung und der dazugehörigen Zeichnung ersichtlich. io diejenigen des Teils ΙΠ strömt..Innerhalb einer ein-

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der zelnen Gruppe können die beiden Medien in AbErfindung schematisch dargestellt. Es zeigt schnitten oder im Gesamten, auch z. B. im Quer-

Fig. 1 den Kreislauf des Kühlmittels und des strom geführt werden.

Arbeitsmittels einer Atomkraftanlage, Der Flüssigkeitsa"bscheider 2 ist über ein Ab-

F i g. 2 die Anordnung eines erfindungsgemäßen 15 schlämmregelorgan 7 und eine Rohrleitung 8 mit der

Wärmeübertragungssystems einer derartigen Anlage, Eintrittsseite der Speisepumpe E verbunden. Die

F i g. 3 ein Diagramm des Verlaufs der Tempera- Rohrleitung 10 verbindet die Einspritzstelle 5 über

tür des Kühhnittels und des Arbeitsmittels entlang ein Einspritzregelorgan 9 mit der Austrittsseite der

der Wärmeübertragungsfläche eines Wärmeüber- Speisepumpe E.

tragungssystems nach F i g. 2, 20 Nach. Maßgabe der an der Stelle 6 gemessenen

F i g. 4 ein Diagramm der umlaufenden Flüssig- Endtemperatur des Dampfes werden vom Meßorgan

keits- und Dampfmengen des Arbeitsmittels bei der 11 Impulse auf einen Pi-Regler 12 erteilt. Der Regler

Anordnung nach Fi g. 2. seinerseits stellt nun das Einspritzventil 9 ein.

Das Wärmeübertragungssystem S der Atomkraft- Die Speisewassermenge wird durch einen Regelanlage nach F i g. 1 überträgt die im Atomkernreak- 25 kreis eingestellt, der die Meßblende 1, ein Meßorgan tori? erzeugte Wärme auf das Arbeitsmittel, welches 13, einen PT-Regler 14 und eine Drenzahl-Einstelleine Turbine T treibt. Hierzu wird durch den Kreis- vorrichtung 141 der Speisepumpe E enthält. Zur Einlauf G ein erstes, als Wärmeträger dienendes gas- stellung des vom Speisewasser-Regelkreis einzuhalförmiges Medium in Richtung der eingetragenen tenden Sollwertes wird eine durch einen FZ-Regler Pfeile geleitet. Es entnimmt dabei aus dem Atom- 30 15 erzeugte Leitgröße dem PZ-Regler 14 zugeführt, kernreaktor" R Wärme, führt diese in das Wärme- Der PI-Regler 15 enthält als Meßgröße die- Tempeübertragungssystem S, gibt hier einen Teil seiner ratur an der Stelle 4, die ihm durch das Temperatur-Wärme ab und gelangt dann in den Atomkernreak- meßorgan 16 zugeführt wird. Zu dieser Temperaturtor R wieder zurück, wo es erneut Wärme aufnimmt. beeinflussung wird eine von der Meßblende 3 mittels Im Kreislauf M zirkuliert in Richtung der dort ein- 35 des Meßorgans 17 und über den P-Regler 18 ausgezeichneten Pfeile ein als Arbeitsmittel der Tür- gehende weitere-Beeinflussung addiert. Die Vereinibine T dienendes zweites Medium. Als zweites gung der beiden einerseits von der Meßstelle 4 und Medium wird ein Stoff, z. B. Wasser, verwendet, der andererseits von der Meßstelle 3 im Rohrstrang des bei dem im Wärmeübertragungssystem herrschenden Dampferzeugers ausgehenden Impulse erfolgt durch Druck und den in diesem herrschenden Temperatu- 40 eine Additionsvorrichtung 19. Der kombinierte Imren verdampft und überhitzt wird. Aus dem Wärme- puls gelangt nun über ein Begrenzungsorgan 20 in übertragungssystem S tritt überhitzter Dampf in die den Regler 14. Das Begrenzungsorgan 20 begrenzt Turbine T ein, der nach Entspannung — in den die Speisewassermenge nach unten derart, daß diese meisten Fällen schon als Naßdampf — in den Kon- bei Unterschreiten der Halblast konstant bleibt! Das densatorC eintritt und dann als Kondensat durch 45 Einspritzventil 9 ist mit einem Impulsgeber 21 verdie Speiseeinrichtung JE erneut in das Wärmeüber- sehen, welcher einen der Größe des Ventilhubes tragungssystemS eingeführt wird. . entsprechenden Impuls über ein Unterbrechungs-

F i g. 2 zeigt das Wärmeübertragungssystem S der organ 22 an ein Integralglied 23 sendet, das durch

F i g. 1 mit dessen Details. Flüssiges Arbeitsmittel, eine Impulsleitung 25 mit dem Regler 15 verbunden

z. B. Wasser, wird als das zweite Medium (vgl. Be- 50 ist. Die Organe 21 und 23 haben in Zusammenhang

Schreibung Fig. 1) durch die Speisepumpe E mit dem Regler 15 den Zweck, die Temperatur an

(Fig. 2) über eine Meßblende 1 einem Wärmeüber- der Meßstelle 4 langsam so zu korrigieren, daß der

tragungsteil I zugeführt. Es durchläuft dann — nach- Hub des Einspritzventils 9 und damit auch die Ein-

dem es zu einem größeren Teil schon verdampft ist— spritzmenge einen vorbestimmten mittleren Wert ein-

einen Flüssigkeitsabscheider 2 und wird über eine 55 nimmt. Das Unterbrechungsorgan 22 ist mit dem

weitere Meßblende 3 an einer Temperaturmeßstelle 4 Begrenzungsorgan 20 verbunden und unterbricht die

vorbei einem Wärmeübertragungsteil II zugeführt. Verbindung zwischen den Organen 21 und 23, falls

Auf dem Weg zu einem Wärmeübertragungsteil III das Begrenzungsorgan 20 in Tätigkeit tritt,

passiert das Arbeitsmittel eine Einspritzstelle 5, wo Durch Impulsleitungen 24, 25, 26 und 27 können

ihm nach Bedarf aus einer Leitung 10 zusätzlich eine 60 die Sollwerte der Regler 12, 15, des Integralgliedes

geregelte Menge flüssigen Arbeitsmittels beigegeben 23 und des Begrenzungsorgans 20 in Abhängigkeit

wird. Schließlich passiert das Arbeitsmittel im end- von der Last eingestellt werden,

gültig überhitzten Zustand eine Temperaturmeß- Der Flüssigkeitsabscheider 2 kann, wie in F i g. 2

stelle 6 und gelangt schließlich zur nicht dargestell- der Zeichnung dargestellt ist, mit einer durch ein

ten Turbine. 65 Ventil 28 absperrbaren Abschlämmleitung 29 ver-

Die drei Wärmeübertragungsteile sind als Rohr- sehen sein. Das abgeschlämmte Arbeitsmittel kann

bündel ausgeführt, durch deren Rohre das zweite z. B. auf seinen Gehalt an nicht verdampfbaren Stof-

Medium — das Reaktorkühlmittel — geführt ist. fen oder auf seine Radioaktivität geprüft, aus dem

Kreislauf entfernt oder, nach eventueller Reinigung, dem Kreislauf wieder zugeführt werden.

Im Diagramm F i g. 3 sind die Temperaturverhältnisse eines Wärmeaustauschsystems nach der F i g. 2 über der Wärmeübertragungsfläche F aufgetragen. Die Linien G, G' stellen den Temperaturverlauf des Reaktorkühlmittels, die Linien M, M' den Temperaturverlauf des Arbeitsmittels dar. Die vollen Linien G, M beziehen sich auf Vollast. Das Reaktorkühlmittel wird dem Wärmeübertragungssystem mit einer konstanten Eingangstemperatur t_t zugeführt und in diesem auf eine ebenfalls konstante Ausgangstemperatur t₂ abgekühlt. Das Arbeitsmittel wird bei Vollast dem Wänneübertragungsteil I mit einer Temperatur t_s zugeführt, in diesem auf die Verdampfungstemperatur erhitzt, verdampft und teilweise überhitzt. In den Teilen II und III wird diese Überhitzung fortgesetzt. Durch die Wassereinspritzung zwischen den Teilen II und III (Stelle K_E) wird die Ausgangstemperatur f₄ konstant gehalten. Die ao gesamte dem Teil I zugeführte Arbeitsmittelmenge wird bereits vor dem Verdampfungspunkt P_v, welcher sich in diesem Fall vor dem Flüssigkeitsabscheider 2 (Stelle A) befindet, verdampft, so daß dieser keine Flüssigkeit abscheidet. Die durch die er- »5 zeugte Dampfmenge gegebene einzuspeisende Arbeitsmittelmenge ist derart groß, daß im Teil I keine Strömungsinstabilität entstehen kann.

Bei der der F i g. 3 zugrundegelegten Teillast besteht bereits die Gefahr einer Strömungsinstabilität im vom flüssigen Arbeitsmittel durchflossenen Teil I des Wärmeübertragungssystems. Das trifft normalerweise für Teillasten unter etwa 50% der Vollast zu. Durch den Einfluß des Begrenzungsorgans 20 wird in den Wänneübertragungsteil I mehr flüssiges Arbeitsmittel eingespeist, als der entnommenen Dampfmenge entspricht. Das überflüssige Arbeitsmittel wird im Teil I nicht verdampft, gelangt in flüssiger Form in den Flüssigkeitsabscheider 2, wird dort abgeschieden und dem Eingang der Speisepumpe £ wieder zugeführt. Dadurch liegt die Eingangstemperatur t_s, des Arbeitsmittels bei dieser Teillast höher als die bei Vollast. Der dem Flüssigkeitsabscheider entnommene Dampf wird in den Teilen II und III überhitzt und verläßt mit der konstant gehaltenen Temperatur t_i das Wärmeübertragungssystem. Der Ausgangsdruck des Arbeitsmittels wird ebenfalls konstant gehalten. Da bei Teillast infolge geringeren Druckabfalls der Einspeisedruck ebenfalls geringer ist, ist auch, wie aus dem Diagramm ersichtlich, die Verdampfungstemperatur bei Teillast geringer.

Das Diagramm F i g. 4 zeigt die Kreislaufverhältnisse des Arbeitsmittels M in Abhängigkeit von der Last L. Die dem Wärmeübertragungssystem entnommene Dampfmenge wird durch eine bei etwa 25% Last beginnende Gerade dargestellt, und die Größe dieser Menge ist der Last proportional. Die gesamte zugeführte Arbeitsmittelmenge, dargestellt durch die Linie W, entspricht zwischen 100 und etwa 50% der Last der entnommenen Dampfmenge. Unter 50 % Last sinkt jedoch die zugeführte Arbeitsmittelmenge nicht mehr, sondern behält einen durch das Begrenzungsorgan 20 eingestellten Wert, der allerdings nicht konstant zu sein braucht, wie einfachheitshalber dargestellt worden ist. Mit W_A ist die Menge des im Flüssigkeitsabscheider abgeschiedenen Arbeitsmittels bezeichnet. Im Lastbereich 0 bis 25%, der allerdings kein eigentlicher Arbeitsbereich ist, sondern einem Anfahrzustand entspricht, wird alles dem Teil I zugeführte Arbeitsmittel abgeschieden und umgewälzt, zwischen 25 und 50% sinkt die abgeschiedene Menge mit steigender Last bis auf Null. Bei über 50% Last wird alles dem Teil I zugeführte Arbeitsmittel bereits vor dem Erreichen des Abscheiders verdampft.

Mit W_E ist im Diagramm F i g. 4 der Verlauf der Einspritzwassermenge bei der beschriebenen Anordnung des Flüssigkeitsabscheiders bezeichnet. Würde man den Flüssigkeitsabscheider 2 nicht, wie beschrieben, an einer Stelle des Systems anordnen, an welcher bei Vollast das Arbeitsmittel verdampft und bereits teilweise überhitzt ist, sondern z. B. im Verdampfungspunkt P_v bei Vollast, würde die einzuspritzende Arbeitsmittelmenge nach der Linie W_E' verlaufen. In einem solchen Fall würde die erforderliche Einspritzmenge viel größer sein. Das hätte, abgesehen von einer größer dimensionierten, entsprechend teureren Einspritzeinrichtung, hauptsächlich den Nachteil, daß dadurch der Verdampfungsteil des Wärmeübertragungssystems noch weniger thermisch belastet sein würde, was die Gefahr der Strömungsinstabilität erhöhen und so der durch die Erfindung angestrebten Wirkung entgegenwirken würde.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme wird es bei Wärmeaustauschsystemen der erwähnten Art ermöglicht, auch bei kleinen Teillasten im Verdampfungsteil die erforderliche Strömungsstabilität aufrechtzuerhalten und dadurch eine Beschädigung der betreffenden Wärmeübertragungsflächen, die bei Strömungsinstabilität nicht mehr ausreichend gekühlt sein würden, zu vermeiden.

Durch die dabei gewählte Lage der Zwischenstelle, an welcher das überschüssige Arbeitsmittel abgeschieden wird, wird ein Minimum an der erforderlichen Menge des in den Überhitzungsteil einzuspritzenden Arbeitsmittels und dadurch ein Optimum an Wirtschaftlichkeit erzielt.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Wärmeübertragersystem einer Atomreaktoranlage mit im Zwangdurchlauf arbeitendem Wärmeübertrager, in welchem ein mit konstanter Temperatur eintretendes Wärmeübertragungsmedium im Gegenstrom Wärme an ein verdampfbares Arbeitsmittel abgibt und der Wärmeübertrager aus zwei in Serie geschalteten Teilen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Teilen des Wärmeübertragers in an sich bekannter Weise ein Flüssigkeitsabscheider eingeschaltet ist, wobei von diesem aus eine Rückführleitung für abgeschiedenes Wasser zum Eingang des Wärmeübertragersystems zurückführt, und daß die Arbeitsmittelspeisemenge beeinflussende Regelorgane vorgesehen sind, um in den Flüssigkeitsabscheider unterhalb der vorbestimmten Teillast (40 bis 60% der Vollast) ein Dampf-Flüssigkeits-Gemisch, bei Vollast jedoch überhitzten Dampf eintreten zu lassen.

2. Wärmeübertragersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das vom Arbeitsmittel durchströmte Wärmeübertragungssystem einen ausschließlich der Überhitzung dienenden

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Teil (II, ΠΙ, Fig. 2) und einen der Verdampfung _{M Betracht} Druckschriften:

und nur bei höheren Lasten auch der Uberhit-

zung dienenden Teil (1) aufweist, wobei der »Mitteilungen der Dürrwerke«, Nr. 1,

Flüssigkeitsabscheider (2) zwischen beiden Teilen September 1956;

angeordnet ist. 5 Zeitschrift »Power Engeneering«, August 1957.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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