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Gasbeheizter Dampferzeuger Die Entwicklung gasgekühlter Kernreaktoranlagen
in den letzten Jahren hat gezeigt, daß das spezifische Volumen der zugehörigen Dampferzeuger,
also der Raumbedarf pro Leistungseinheit, immer geringer geworden ist. Dies wurde
unter anderem durch Erhöhung des Gasdruckes erreicht, der sich heute bereits in
der Gegend von 60 ata bewegt. Diese Entwicklung hat vielfach dazu geführt,
die Dampferzeuger nach dem Zwangdurchlaufprinzip, z. B. nach Art der Benson-Kessel.,
aufzubauen, wodurch sich bei diesen sogenannten »once through«-Systemen eine große
Anzahl von Rohrdurchführungen durch die Kesselwandung, an die normalerweise bei
Umlaufsystemen Sammler angeschlossen sind, ersparen lassen. Es ist bekannt, die
Rohrschlangen bei derartigen gasbeheizten Dampferzeugern, wie sie selbstverständlich
auch für nicht kerntechnische Anlagen, z. B. Abhitzekessel, Verwendung finden können,
innerhalb eines Druckkessels in Gestalt eines Bündels mit quadratischem Querschnitt
anzuordnen, wodurch gleichmäßige Rohrlängen für das gesamte Bündel erreicht werden.
Zur Führung des Heizgases kann dabei ein das Rohrschlangenbündel umfassender viereckiger
Schacht vorhanden sein. Wegen der bei modernen Kernenergieanlagen hohen Leistungsdichte
im Reaktor ist der Anteil der aufzuwendenden Gebläse- bzw. Pumpenarbeit in Abhängigkeit
von den zu überwindenden Druckverlusten größer als bei bisherigen Anlagen. Aus diesem
Grund und infolge der angestrebten kompakten Bauweise der Apparate kann in solchen
Dampferzeugern der Druckabfall entlang des Rohrschlangensystems unter Umständen
erheblich größer als bei bisher gebauten oder geplanten Anlagen ähnlicher Art sein,
so daß der Gasführungsschacht druckfest gebaut werden muß. Dies bedingt andererseits
aber einen konstruktiven Aufwand, wie er in vielen Fällen nicht mehr tragbar ist,
so daß die Parallelschaltung mehrerer Wärinetauscheranlagen ins Auge gefaßt werden
muß.
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Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden
und die Erstellung großer Leistungseinheiten auf kleinstem Raum zu ermöglichen.
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Die Erfindung betrifft demnach einen gasbeheizten Dampferzeuger, insbesondere
für gasgekühlte Kernreaktoranlagen mit einem Zwangdurchlaufsystem und einer im Querschnitt
quadratischen Anordnung der Rohrschlangen, wobei alle Rohrschlangen parallel geschaltet
sind und die gleiche Länge aufweisen, sowie wärmetechnisch zur Strömungsrichtung
des Heizgases nach dem Kreuzgegenstromprinzip angeordnet sind und die abgekühlten
Gase entgegen der Einströmrichtung zwischen der umschlossenen Heizfläche und dem
äußeren Kesselmantel dem Gasaustritt zugeführt werden. Die Erfindung ist dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen dem quadratischen Gasführungskanal und der Kesselwand
ein den Differenzdruck zwischen zu- und abströmendem Gas aufnehmender zylindrischer
Mantel angeordnet ist, wobei die dabei entstehenden segmentartigen Räume zwischen
dem zylindrischen Mantel und dem Gasführungskanal nur druckausgleichend mit diesem
in Verbindung stehen.
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Zweckmäßigerweise sind die zwischen dem Schacht und dem Gasführungsmantel
befindlichen segmentförmigen Räume dabei durch mehrere Querwände in gegeneinander
möglichst gasdichte Schotten aufgeteilt. Zur Verhinderung einer Konvektionsströmung
sind diese wenigstens teilweise mit zusätzlich eingebauten Wänden z. B. aus Metallfolien
versehen.
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Dieser Aufbau hat unter anderem den besonderen Vorteil, daß das Rohrsystem
als Ganzes am Einsatzort nach einem einfachen Abtrennen der Wasserzuführungs- und
Dampfaustrittsleitungen ausgewechselt werden kann. Besonders attraktiv ist daher
die Anwendung dieser Konstruktion für Dampferzeuger mit geteiltem Kessel, der an
der Trennstelle mit an sich bekannten druckfesten Dichtungen versehen ist.
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Wie bereits erwähnt, erfolgt die Druckentlastung des quadratischen
Halterungs- und Gasführungsschachtes von den bei gasgekühlten Kernreaktoranlagen
in Anbetracht der hohen Betriebsdrücke auftretenden hohen Differenzdrücke zwischen
Gasein-und -auslaß durch einen diesen umgebenden zylindrischen Mantel, wobei die
sich zwischen diesem und dem Schacht ergebenden segmentförmigen Räume
durch
mehrere Querwände in gegeneinander möglichst gasdichte Schotten unterteilt sind.
Durch diese Maßnahme ergibt sich außerdem eine Wärmeisolation des quadratischen
Gasführungsschachtes gegenüber dem in dem Zwischenraum zwischen Wärmetauscherk-essel
und dem genannten zylindrischen Mantel zurückfließenden abgekühlten Heizgas. Diese
Wärmeisolation kann insbesondere auf der Eingangsseite des Heizgases noch durch
Einbringung paralleler Zwischenwände, z. B. aus folienartigem Material, die die
Konvektion des Gases in den Schotten verhindern, erhöht werden.
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Bisherige Wärmetauscher mußten vielfach für Kontroll- und Reparaturzwecke
in ihrem Inneren begehbar sein. Dies ist in vorliegendem Fall nicht mehr nötig,
da durch entsprechende konstruktive Maßnahmen am Verdampferkessel der gesamte Rohrschlangeneinsatz
einschließlich Druckentlastungszylinder nach einfacher Abtrennung der Zu-und Abführungsleitungen
herausgenommen bzw. gegen einen neuen Einsatz ausgewechselt werden kann. Dadurch
vereinfacht und verbilligt sich also auch die Herstellung des Kessels.
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Die F i g. 1 bis 4 zeigen das Ausführungsbeispiel eines solchen
erfindungsgemäßen Dampferzeugers. In F i g. 1 ist ein derartiger Dampferzeuger
im Längsschnitt dargestellt, F i g. 2 zeigt einen Querschnitt durch denselben
in Höhe der Linie 11-11; die F i g. 3 und 4 zeigen konstruktive Einzelheiten
der Durchführung des Rohrbündels durch die beiden Enden des Kessels-Der Kessel des
Dampferzeugers besteht in dem Beispiel nach F i g. 1 aus zwei Teilen 2 und
3, die etwa gleich hoch sind und über ihre Flanschringe 31
und 21 druckfest
und gasdicht miteinander verschraubt sind. Im Inneren dieses Kessels ist in der
dargestellten Weise das Rohrschlangenbündel 4 untergebracht, das im wesentlichen
vom Heizgas quer angeströmt wird. Der Führung des Heizgasstromes dient der die Rohrschlangen
umhüllende quadratische Schacht 8, der aus einem Profileisengerüst mit einer
inneren Blechverkleidung besteht. An seinem unteren Ende ist es über ein Reduzierstück
82
und dem daran befindlichen Flanschring 83 mit dem Gaszuführungsstutzen
10, der den Dampferzeuger an seinem unteren Ende durchbricht, verbunden.
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Wie auch aus F i g. 2 ersichtlich, befindet sich der genannte
Gasführungsschacht innerhalb eines zylindrischen Mantels 9, der zur Aufnahme
des Differenzdruckes zwischen dem zuströmenden heißen und dem abströmenden kalten
Gas bestimmt und bemessen ist. Dieser zylindrische Mantel ist mit dem Gasführungsschacht
oben und unten dicht verbunden und bildet mit diesem vier segmentartige Räume
93.
Diese sind durch horizontal angeordnete Bleche 81
in mehrere schottenartige
Räume 94 unterteilt. Diese Schotten stehen mit dem Innenraum des Schachtes im Druckausgleich,
sind gegeneinander jedoch möglichst dicht abgeschlossen. Zweckmäßigerweise sind
die Querwände mit den horizontalen Profileisen des Gasführungsschachtes verbunden
und liegen z. B. über eine temperaturfeste Dichtung, wie z. B. eine Asbestschnur
oder eine Metallamellendichtung, am zylindrischen Mantel 9 an. Dadurch wird
der Gasführungssehacht 8 von dem genannten Differenzdruck entlastet und wärmemäßig
von dem im Raum zwischen dem Zylinder 8 und der Kesselwandung 2 und
3 zurückströmenden kalten Gas isoliert. In Zonen groUter Temperaturdifferenz,
d.' h. in den Zonen höchster Heißgastemperatur, ist es dabei zweckmäßig,
die benachbarten Schotten noch durch eingebaute zusätzliche Wände 91, die
einer Konvektionsbewegung des eingeschlossenen Gases entgegenwirken, zu isolieren.
Damit wird erreicht, daß das zurückströmende Gas nicht wieder um einen gewissen
Betrag aufgeheizt wird, was einer Energieentwertung gleichkäme. Der Austritt des
kalten Gases erfolgt über den gestrichelt angedeuteten Auslaßstutzen 12. Das Rohrschlangenpaket
durchsetzt die beiden Enden des Druckkessels in je einem speziellen Deckeleinsatz
5 und 6. Die einzelnen Rohre sind mit diesem Deckel über eine Wärmefalle,
z. B. nach F i g. 4, dicht verbunden. Diese Wärmefalle besteht aus einem
Rohrstutzen 41, der den Deckel 5 durchsetzt, mit diesem dicht verschweißt
ist und außerdem in einer Höhe von etwa 15 cm über dem Deckel unter Zwischenschaltung
eines kurzen Verbindungsringes 42 mit dem Rohr 40 des Rohrbündels 4 verschweißt
ist. Durch diese Konstruktion, die im Vergleich zu einer direkten Einschweißung
der Rohre in den Deckel eine sehr schlechte Wärmeleitfähigkeit besitzt, wird eine
übermäßige Erwärmung des Deckels selbst und damit eine eventuelle Gefährdung des
Verschlusses vermieden. Dieser Deckel sitzt auf der Innenseite des Kessels auf einem
mit diesem fest verschweißten Flanschring 22 bzw. 32 auf und ist mit demselben
unter Zwischenschaltung einer Schweißlippendichtung 53, etwa nach F i
g. 3, verschraubt. Die Rohrschlangen münden außerhalb dieses Deckels in je
eine Sammelleitung 71 bzw. 72 ein, wobei aus der oberen Sammelleitung
72 dem Dampferzeuger Wasser zugeführt und über die untere Sammelleitung nur
Dampf abgeführt wird. Das Speisewasser wird also gegen den thermischen Auftrieb
dem Verdampfer von oben zugeführt. Das Heizgas wird dem Schacht 8 von unten
zugeführt, so daß also die Wärmeübertragung nach dem Gegenstromprinzip und infolge
der größtenteils querverlaufenden Rohrschlangen im Kreuz-Gegenstrom-Prinzip erfolgt-Dementsprechend
läßt sich auch das gesamte Rohrschlangenbündel in eine Vorwärmungs-, Verdampfungs-
und überhitzungszone einteilen.
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Als Beispiel für die möglichen äußeren Abmessungen eines solchen Gerätes
sei genannt-. Höhe etwa 18,
Durchmesser etwa 2,7 m bei einer Leistung
von etwa 35 MWe.
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Diese besondere Konstruktion der gleichseitigen Ein- und Ausführung
des Heizgases wurde gewählt, damit der Außenmantel des Dampferzeugerkessels durch
den ausströmenden kalten Gasstrom auf niedriger Temperatur gehalten wird. Dies hat
den Vorteil, daß das Material festigkeitsmäßig nicht überbeansprucht wird bzw. die
Wandstärken nicht überdimensioniert werden müssen. Außerdem ergibt sich aber aus
einer solchen Konstruktion noch folgender besonders wertvolle Vorteil: Das Rohrpaket
kann als Ganzes auf einfache Art und Weise herausgenommen und repariert bzw. gegen
ein neues ausgetauscht werden, so daß dadurch nur verhältnismäßig kurzzeitige Betriebsunterbrechungen
der Energieerzeugungsanlage, z. B. eines Atomreaktors notwendig sind. Der Austausch
bzw. die Demontage des Rohrbündels geht dabei etwa folgendermaßen vor sich: Das
Mannloch wird geöffnet und die im Inneren des Kessels am Einlaßstutzen
10 befindliche Flanschverbindung
mit dem Gasführungsschacht
von Hand gelöst. Sodann werden die Sammelleitungen 71 und 72 aufgetrennt
und die Deckelverbindungen mit den Flanschringen 22 und 32 von außen gelöst.
Nach öffnung der Flanschverbindung 21 und 31 des Dampferzeugerkessels wird
der obere Teil 3 desselben nach oben über die aufgetrennte Speisewasserleitung
72 mit Hilfe eines Krans abgehoben. Nunmehr ragen die Einbauten mitsamt den
Rohrschlangen aus der stehengebliebenen unteren Hälfte des Verdampferkessels heraus
und können als Ganzes ebenfalls z. B. mit Hilfe eines Krans aus diesem Kesselteil
herausgehoben werden. Anschließend ist es möglich, ein neues Rohrschlangenbündel
mit den Deckelteilen 5 und 6 einzusetzen, die Flanschverbindung
82 wieder von innen über das Mannloch von Hand herzustellen, den Kessel zu
schließen, die Deckelverbindungen 5/22 sowie 6/32 von außen abzudichten
und die an dem Ansatzteil befindlichen Stutzen der Sammelleitung 72 und
71 mit den aufgetrennten Leitungen der Anlage, z. B. durch Schweißung, zu
verbinden.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, an diesen Trennungsstellen
ebenfalls eine Flanschverbindung oder eine andere lösbare Verbindung anzubringen.
Diese geschilderte leichte Auswechselbarkeit des Dampferzeugereinsatzes rechtfertigt
den sehr gedrängten Aufbau des Rohrschlangenbündels, der im Gegensatz zu anderen
bekannten Anlagen zu Reparaturzwecken nicht begehbar ist und, wie aus dem Gesagten
hervorgeht, auch nicht begehbar zu sein braucht.
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Es wird bei derartigen Anlagen immer zweckmäßig sein, einen kompletten
Kesseleinsatz einschließlich der Deckel und der Sammelleitungsstutzen
72 und 71 in Bereitschaft zu halten, da es auf diese Weise am einfachsten
und sichersten möglich ist, eine durch Dampferzeugerschaden verursachte Betriebsunterbrechung
rasch wieder zu beheben. In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, daß es selbstverständlich
möglich ist, einzelne beschädigte Rohre, die ja ohne Abzweigungen durch den ganzen
Dampferzeuger hindurchgehen, außerhalb des Dampferzeugers abzuschneiden oder abzuschalten.
Bei der Vielzahl der Dampferzeugerrohre wird daher ein Ausbau des gesamten Einsatzes
erst nach Ausfall einer größeren Anzahl von Dampferzeugerrohren in Frage kommen.
Daraus geht hervor, daß Dampferzeuger, die nach diesem Erfindungsprinzip aufgebaut
sind, für hohe Gastemperaturen, wie z. B. etwa 700' C, brauchbar sind, ein
besonders hohes Maß an Betriebssicherheit bieten und außerdem im Falle einer größeren
Reparatur sehr kurze Stillstandszeiten ermöglichen.