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Anordnung zur wärinebeweglichen Auflagerung eines Wärmequellengehäuses
und mit diesem verbundenes Wärmetauschergehäuse Die Erfindung bezieht sich auf eine
Anordnung zur wärmebeweglichen Auflaggerung einer Wärmequelle und mindestens eines
über radial verlaufende starre Verbindungleitungen daran angeschlossenen Wärmeaustauschers
mit in einer einzigen Auflagerebene liegenden Lagerungen von Wärinequellen und Wärmeaustauschergehäuse
bzw. -gehäusen.
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Die Erfindung findet insbesondere bei Kernreaktoren Anwendung.
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Bislang ist ein Kernreaktor mit einem Geschlossen-Kühlmittelkreis
versehen worden, der eine Einlaßleitung für den Druckbehälter des Reaktors, welche
unbeweglich mit dem Boden verbunden war, sowie eine getrennte Auslaßleitung und
einen Wärmeaustauscher, ebenfalls unbeweglich mit dem Boden verbunden, und zwar
im Kreislauf mit der Einlaß- und der Auslaßleitung, und eine Einrichtung aufweist,
um einen Kühlmittelfluß im Leitungssystem hervorzurufen. Der Temperaturunterschied
zwischen kühlerer Einlaßleitun- und heißer Auslaßleitung hat Schwierigkeiten durch
Wärmeausdehnung verursacht, die nur dadurch überwunden werden konnten, daß Expansionsverbindungen
in jeder Leitung vorgesehen wurden, so daß die ungleiche Ausdehnung der Leitungen
ohne gefährliche Beanspruchung der Leitungen, des Wärmetauschers und des Druckbehälters
aufgenommen werden konnten. Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung getrennter
Leitungen lieje, darin, daß die das heiße Strömungsmittel enthaltende Leitung entweder
aus wärmebeständigem Material bestehen oder innen mit wärmeisolierendem Material
ausgekleidet und außen gekühlt werden mußte. Die erstere Möglichkeit ergibt große
Schwierigkeiten in bezug auf eine feste Verbindung zwischen der Leitung und dem
Druckbehälter. Die zweite Möglichkeit stellt insofern ein Wagnis dar, als ein mechanischer
Fehler selbst einer kleinen Isolationsfläche eine örtlich überhitzte Stelle und
die Gefahr eines verhängnisvollen Zusammenbruchs oder einer Unterbrechung des Kühlmittelkreises
verursacht.
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Bei einem Versuch, das Problem der unterschiedlichen Wärmeausdehnung
zu lösen, wurde der Wärmetauscher über dem Druckbehälter in der Weise angeordnet,
daß ein gerader, aufwärts gerichteter Strom des Kühlmittels von dem Druckbehälter
des Reaktors nach dem Wärmetauscher entstand, wobei der Rückfluß nach unten in ein
Gehäuse erfolgte, das sowohl den Druckbehälter als auch den Wärmetauscher umgab.
Hierdurch entstanden natürlich neue Probleme, und zwar unter anderem dasjenige der
richtigen Abschirmung und der Notwendigkeit der Ladung und Steuerung des Reaktors
von unten. Außerdem wurde die ganze Einrichtung so umfangreich, daß ein Gestell
notwendig wurde, welches sehr massiv sein mußte, um hinreichend stark zu sein.
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Es kann als bekannt gelten, einen Behälter großer Masse, der
beispielsweise als Wärmequelle dient, so zu lagern, daß Wärmeverschiebungen quer
zur lotrechten Achse des Behälters ermöglicht werden, während mehrere andere Behälter
großer Masse, welche Bestandteile von Wärmeaufnahmevorrichtungen sein können und
die in Verbindung mit dem erstgenannten Behälter stehen, ebenfalls je in
solcher Weise gelagert sind, daß sie einmal ihre eigenen Wärme verschiebungen auszuführen
vermögen und außerdem als Ganzes relativ zum Behälter hin- und herbeweglich sind,
um die durch die gegenseitige Verbindung übertragenen Wärinebewegungen des letzteren
aufzunehmen. Bei älteren Anordnungen dieser Art sind Auflagerungen oder Halterungen
erforderlich, welche die durch die Wärme verursachten Bewegungen, die in allen drei
Dimensionen stattfinden, aufnehmen, und dies erfordert in gewissen Fällen eine so
weitgehende Biegsamkeit, daß als Halterung steife Spiralfedern in Vorschlag gebracht
sind.
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Es ist weiterhin eine Wärmetauschereinrichtung mit Auflagerungen bekanntgeworden,
welche auf einer gemeinsamen Ebene liegen, bei welcher ein Speicherkörper so angebracht
ist, daß ein Punkt an
dem Behälter festliegt und andere Punkte an
dem Behälter sich radial von demjenigen Punkt während der Wärmeausdehnung weg bewegen;
diese Anordnung betrifft jedoch lediglich das Anbringen eines einzigen Gegenstands
und nicht das Anbringen einer Einrichtung mit einer Mehrzahl von Bestandteilen,
die durch wärineempfindliche Leitungen miteinander verbunden sind. Konzentrische
Rohrleitungen, welche nach einem Kernreaktor und von diesem weg führen, sind durch
eine andere Anordnunc, bekannt, wobei jedoch die konzentrischen Leitungen vertikal
angeordnet sind, so daß die Möglichkeit wegfällt, diese auf derselben Ebene mit
irgendwelchen Auflagerun-,gen anzuordnen. Außerdem ist eine ähnliche Anordnung von
konzentrischen Leitungen bekannt, die einen Wärmetauscher und zwei Turbinen miteinander
verbinden; es verdient hervorgehoben zu werden, daß die konzentrischen Leitungen
beim Vereinfachen von Wärmebeanspruchungen in dieser Vorrichtung keine Rolle spielen,
sondern lediglich zusätzliche Wärmeaustauschflächen bilden. Schließlich ist auch
noch die Lagerung eines Dampfwasserspeichers bekannt, der an Auflagerungen hängt,
die in der Nähe seines oberen Endes angeordnet sind.
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Durch die vorliegende Erfindung soll die Notwendigkeit ausgeschaltet
werden, die Wärmetauschereinrichtung so auszubilden bzw. anzuordnen, daß sie Bewegungsfreiheit
in allen drei Dimensionen hat, und Zweck der Erfindung ist die Schaffung einer Vorrichtung,
bei welcher die Wärmeausdehnung ermöglicht ist, -obwohl die Vorrichtung so angebracht
ist, daß eine Wärmebewegung in nur zwei Dimensionen möglich ist. Außerdem wird durch
die Erfindung eine viel einfachere Auflagerung im Vergleich mit den bisherigen Vorschlägen
geschaffen.
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Die erfindungsgemäße Anordnung ist daher dadurch gekennzeichnet, daß
die Achsen der starren Verbindungsleitungen in der Auflageebene liegen und daß zwischen
dem Wärmequellengehäuse und dein bzw. - den - Wärmetauschergehäusen
je - eine zweite Verbindungsleitung vorgesehen ist, die konzentrisch
innerhalb der jeweiligen ersten, starren Verbindungsleituno, liegt. Vorzugsweise
liegt die einzige Auflagerebene in an sich bekannter Weise näher dem oberen als
dem unteren Ende des Wärmequellengehäuses.
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Die Erfindung wird nunmehr an Hand der sie beispielsweise wiedergebenden
Zeichnung näher erläutert, und zwar zeigt F i g. 1 eine Teilseitenansicht
in Blickrichtung des Pfeiles 1 in F i g. 2 einer Anordnung nach der
Erfindung, F i g. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II in F i g. 1,
F
i 1-.- 3 eine Seitenansicht im Mittelschnitt einer Anordnung für Sonderzwecke,
während F i a. 4 - einen Schnitt nach der Linie IV-IV in F i 1-.
3 wiedergibt.
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Wie aus den Zeichnungen hervorgeht, weist die in den F i
g. 1 und 2 dargestellte Konstruktion, die beispielsweise zu einer Anordnuna
gehört, welche aus einer Wärmequelle großer Masse besteht, die mit einem -oder mehreren
Wärmeaustauschern verbunden ist, eine im wesentlichen mit einer zylindrischen Wandung
versehene Wärmequelle 1 auf, die mit einer Anzahl, beispielsweise mit
- acht, auf den Umfang verteilten Ansätzen 2 - verseherr ist (s. F
i g. 2), an denen Verstärkungsrippen 3 vorgesehen sind. Von Säulen
4, die auf einem Stützring 5 vorgesehen sind, hat jede eine Platte
61 auf denen Rollen 7 ruhen, die den zugeordneten Ansatz 2 über eine
Scheibe 8
tragen, die eine gekrümmte, an dem Ansatz 2 anliegende Oberseite
hat. Um einen Belastungsausgleich herbeizuführen, ist ein Teil 9 -aus gewelltem,
vorzugsweise nachgiebigem Blech zwischen der Säule 4 und der zugeordneten Platte
6 eingelegt. Die Achse der Rollen 7 steht im rechten Winkel zu einer
radialen Linie A (s. Fi g. 2); die von der Mittelächse der Wärmequelle ausgeht
(die durch die strichpunktierte Linie 10 in F i g. 1 und durch den
Punkt 10 in F i g. 2 dargestellt ist) und die die entsprechende Rolle
7
halbiert.
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Die Wärmequelle 1 ist mit einem oder mehreren Wärineaustauschern
11 (von denen beispielsweise zwei in F i g. 2 dargestellt sind, und
wo außerdem Anschlüsse für weitere zwei Wärmeaustauscher eingezeichnet sind) über
eine Koaxialleitung 12 verbunden, die eine Innenleitung 13, welche ein flüssiges
Wärmeübertragungsmittel von der Wärmequelle 1
nach dem Wärmeaustauscher
11 oder den zugeordneten Wänneaustauschern leitet, und eine Außenleitung
14 aufweist, welche die Flüssigkeit zur Wärmequelle 1 zurückleitet. Die gemeinsame
Achse der Leitung 12 liegt in derselben Ebene (die durch die Linie B in Fi g.
1 angedeutet ist) wie die Abstütz-oder Tragebene der Wärmequelle
1, welches diejenige Ebene ist,. in der die Unterseiten der Scheiben
8 liegen.
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Der oder die Wärineaustauscher 11 haben eine im wesentlichen
zylindrische Wandung und über den Umfanc, verteilte Ansätze 15 (von denen
beispielsweise vier pro Wärmeaustauscher in F i g. 2 dargestellt sind) mit
Rippen 16, ähnlich wie die Ansätze 2 und Rippen 3 der Wärmequelle
1, die unter Zwischenlegung von Scheiben 17 ähnlich den Scheiben
8 auf Rollen 18 ruhen,i die wiederum auf Säulen 19 ruhen, welche
auf einem ringförmigen Rand 20 sitzen (der aus einem Stück mit dem Stützring
5 bestehen kann), und zwar unter Zwischenlegung von Belastungsausgleichsteilen
21 22. Die dargestellte Lösung kann aber auch für den oder die Wärmeaustauscher
11, nämlich durch Austausch der Teile 6
und 9 gegen die Teile
21 und 22 verwendet werden. Die Tragebene für den oder die Wärmeaustauscher 11,
nämlich die die Unterseite der Scheiben 17
(Linie B in F i g. 1) enthaltende
Ebene, enthält die gemeinsame Achse der Leitung 11, und die Achse aller Rollen
18 steht im rechten Winkel zu einer radialen Linie (beispielsweise Linie
C in F i g. 2) von der Mittelachse des Wärmeaustauschers
1, die die entsprechende Rolle: 18 halbiert. Daher läßt die Richtung
der Achsen von den Rollen 7 eine Expansion der Wärmequelle in radialer Richtung
nach außen von ihrer Mittelachse 10 aus zu, und die Richtung der Achsen von
den Rollen 18 läßt eine radiale Ausdehnung der Wärmequelle und eine entsprechende
Bewegung des oder der Wärmeaustauscher 11 zusammen mit der radialen Ausdehnung
des oder der Wärmeaustauscher -selbst zu. Zusammenziehungen in umgekehrter Richtung
sind ebenso möglich. Außerdem werden unerwünschte Beanspruchungen dadurch, daß die
Tragebene der Wärmequelle 1, die Tragebene des oder der Wärmeaustauscher
11 und die gemeinsame Achse der Leitung 12 in eine Ebene ,gelegt. werden,
bei Expansion oder Kontraktion verhindert oder weitgehend vermindert, die infolge
der großen Masse der Wärmequelle 1 und des oder der Wärmeaustauscher
11. sehr beträchtlich sein können.
Bei einer abgeänderten
Lösung oder Ausführungsform für die Lastaufnahme können an Stelle der Rollen
7 Kugeln als Auflager für die Wärmequelle verwendet werden. Diese Alternative
ist in F i g. 2 dargestellt, wo Kugeln mit strichpunktierten Linien anaedeutet
und mit 35 bezeichnet sind. Kugeln könneu auch als Auflager für den oder
die Wärmeaustauscher 11 an Stelle der Rollen 18 verwendet werden,
wie beispielsweise in F i g. 2 in strichpunktierten Linien dargestellt und
mit 36 bezeichnet. Bei einer weiteren abgeänderten Lösung für die Auflagerung
können Differentialrollenanordnungen verwendet werden. Jede Anordnung kann die Rollen
7 oder die Kugeln 35, die das Auflagger der Wärmequelle
1
bilden, oder die Rollen 18 oder Kugeln 36, die das Auflager
der oder des Wärmeaustauschers 11 bilden, ersetzen. Der Vorteil der Verwendung
von Kugeln oder Differentialrollenanordnungen besteht darin, daß sie eine verschiedene
Ausdehnung oder Zusammenziehung ermöglichen, die beispielsweise auftreten kann,
wenn ein oder mehrere Wärmeaustauscher 11
von der Wärmequelle 1 abgetrennt
sind, während die übrigen in Verbindung bleiben.
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In den F i g. 3 und 4 ist die Anwendung der Erfindung bei einem
Kernreaktor als Wärmequelle dargestellt. Die Konstruktion ist im Prinzip die gleiche,
wie sie an Hand der F i (y. 1 und 2 beschrieben wurde. Ein Kernreaktor
23 bildet die Wärmequelle und ist in einen Druckbehälter 24 eingeschlossen,
der Ansätze 25 mit Versteifungsrippen 26 aufweist und gleiche Auflager
besitzt, wie sie an Hand der F i 1
und 2 beschrieben sind, nämlich Rollen,
Kugeln oder Differentialrollenanordnungen, die über Belastungsausgleichsvorrichtungen
auf (nicht dargestellten) Säulen ruhen, die auf einem Tragkranz 27 sitzen,
der einen Teil eines Behälters 28 bildet, der gewöhnlich aus Stahlbeton besteht,
Koaxialleitungen 29 mit Schnüffelventilen 40 für die Außenleitung, und Klappenventilen
41 für die Innenleitung verbinden den Druckbehälter 24 mit vier Wärmeaustauschem
30,
die sich in dem Behälter 28 befinden und deren Auflager durch Ansätze
31 mit Versteifungsrippen 32,
Rollen (oder Kugeln oder Differentialrollenanordnungen),
Belastungsausgleichsvorrichtungen und (nicht dargestellte) Säulen gebildet werden,
die auf einem Kranz 33 des Behälters 28 in ähnlicher Weise ruhen,
wie es für den oder die Wärmeaustauscher 11
an Hand der F i g. 1 und
2 beschrieben wurde. Die Tragebenen des Druckbehälters 24, der Wärineaustauscher
30 und die Achse der Leitungen 29 liegen in einer gemeinsamen Ebene,
die durch die Linie D
in F i g. 3 dargestellt ist. Ein gasförmiges
Kühlmittel wird im Kreislauf zwischen dem Reaktor 23 und den Wärmeaustauschern
30 durch eine Umwälzeinrichtung hin- und hergeleitet, die sich in jedem Wärmeaustauscher
30 befindet. Die Antriebsvorrichtung hierfür befindet sich in einem Gehäuse
34, das unten am Wärmeaustauscher befestig gt ist. Das Kühlmittel wird vorzugsweise
durch die Außenleitungen der Leitungen 29 in den Druckbehälter 24 geleitet,
wo es an dessen zylindrischer Wandung nach unten fließt, dann nach oben über Brennstoffelemente
im Kern des Reaktors, in eine Heißkammer innerhalb des Druckbehälters durch die
Innenleitungen (die an die Heißkammer durch wärmebewegliche Verbindungen angeschlossen
sind) der Leitungen 29, nach oben durch die Kühleinrichtung des Wärmeaustauschers
30, und nach unten entlang der zylindrischen Wandung des Wärmeaustauschers
30 zur entsprechenden Umwälzvorrichtung. Die Schnüffelventile 40 und die
Klappenventile 41 dienen dazu, die Wärmeaustauscher 30 einzeln oder gemeinsam
von dem Druckbehälter 24 abzuschalten. Die Innenleitungen sind innen mit einer Auskleidung
versehen, um Wärmeverluste zu den Außenleitungen hin auf ein Minimum zu beschränken.
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Der Vorteil der Verwendung von Koaxialleitungen besteht hauptsächlich
in der größeren Sicherheit, aber auch darin, daß dadurch mechanische Probleme gelöst
werden, die bei Verwendung getrennter Leitungen auftreten. Die innere Heißflüssigkeitsleitung
der Koaxialleitung hat nur einen kleinen Druckunterschied aufzunehmen. Da der höhere
Druck an der Außenseite herrscht, führt ein Fehler oder Versagen der Wärmeisolierungsauskleidung
und ein dadurch verursachter Bruch zu einem Innenleck für das Kühlgas, und die Unversehrtheit
der Hauptdrucldagermembranen wird nicht aufs Spiel gesetzt. Da die Heißflüssigkeits-Innenleitungen
nicht an die Hauptlastlager angeschlossen sind, sondern nur an eine Heißkammer über
wärmebewegliche Verbindungen und an Wärmeaustauscherelementen, und weil diese Leitungen
vollständig in Drucklagern enthalten sind, ist der gleiche hohe Grad der Abdichtung
unwesentlich, und mechanische Verbindungen und wärmefestes Material können ohne
große Schwierigkeiten verwendet werden.
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Ein Fehler oder ein Versagen eines Teils der Innenauskleidun- der
Innenleitungen führt weniger leicht zu einem Bruch der Heißgasleitungen, da der
Druckunterschied sehr viel geringer ist und weil auch die Kühlung, welche durch
die Außenleitungen ausgeübt wird, intensiver als bei getrennten Leitungen ist.
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Außerdem wird die Lastaufnahme durch den Druckbehälter des Reaktors
durch die Art seiner Auflagerung verbessert. Wenn die Auflagerung des Druckbehälters
eines Reaktors unten oder ziemlich weit unten mit Hilfe eines Randes erfolgt, so
entsteht eine Beanspruchung des Behälters infolge des Gewichtes seiner Schale und
des Gewichtes von Teilen, die oberhalb der Randauflagerung mit ihm verbunden sind,
wie z. B. Zugangs-Standrohre usw., als Druckbelastung, die den Behälter radial zu
verdrehen sucht. Durch Auflagerung des Druckbehälters an seinem oberen Ende und
in einer Ebene, die die gemeinsame Achse der Koaxialleitung enthält, wird der Behälter
in dem Bereich seiner Auflager infolge des Gewichtes der Behälterteile unterhalb
der Auflager einer Zugspannung unterworfen. Diese Spannung wird durch die Gewichte
von Teilen in dem Druckbehälter erhöht, wie z. B. des Moderators, des Reflektors,
der Brennstoffelemente und eines inneren Neutronenschildes, die entweder in einem
Gestell in dem Teil des Behälters aufgehängt werden können, an dem sich die Auflager
befinden, oder die an einer Gitterkonstruktion angebracht werden können, die auf
Ansätzen des inneren Bodenteiles des Behälters ruhen. Jedoch kann der Behälter auch
so konstruiert werden, daß er solche Zugspannungen aufnimmt, beispielsweise indem
die Plattenstärke im Bereich der Auflager dort erhöht wird, wo die Innenteile aufgehängt
sind. Der größere Teil des Behälters verzieht sich dann nicht in radialer Richtung.
Der Behälter unterliegt im Bereich der Auflager dann nur einer Druckspannung infolge
des Gewichtes des Ab-
deckdomes des Behälters und des Gewichtes
der Zugangs-Standrohre, die durch ihn hindurchgehen. Da diese Spannung im Vergleich
zu der Zugspannung klein ist, kann sie leicht bei der Konstruktion berücksichtigt
werden, beispielsweise durch Erhöhung der Wandstärke des Behälters in diesem Bereich,
so daß sich der Druckbehälter nicht in radialer Richtung verzieht.