DE1544052C3 - Behälter zur Dampferzeugung und -abtrennung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Behälter zur Dampferzeugung und zum Trennen des Dampf-Flüssigkeit-Gemisches mit Wärmequelle, Wärmeaustauscher und Leitvorrichtungen im Flüssigkeitsraum, durch die ein Steigrohrabschnitt und ein Fallrohrabschnitt ausgebildet ist.

Derartige Behälter finden insbesondere für das Abtrennen von Dampf von einer Kühl- und/oder Moderatorflüssigkeit, die durch ein Steigrohr und ein Fallrohr in einem Kernreaktor umläuft, Anwendung.

Ganz allgemein ist es für die Gas-Flüssigkeitstrennung in einem Behälter bekannt, daß die Flüssigkeit neben einer Abtrennung der natürlich, d. h. ohne Zwangskräfte austretenden Gasblasen auch einer erzwungenen Abtrennung derselben unterworfen werden kann (USA.-Patentschrift 2 891 632).

Das in diesem bekannten, liegend angeordneten Behälter eingebrachte Wasser wird zunächst vollständig über eine Wirbelkammer gegeben, wobei durch die auftretenden Zentrifugalkräfte ein erzwungenes Ausbringen des Luft- oder Wasserdampfanteüs bewirkt wird, während nachfolgend die im Behälter weitgehend ruhende Flüssigkeit auf natürlichem Wege weiter entgasen kann. Für die erzwungene Abtrennung muß das Abtrennsystem eine verhältnismäßig große Leistungsfähigkeit aufweisen, und es ist ein relativ großer Druckverlust in dem Flüssigkeitskreislauf, bedingt durch das Vorhandensein eines Separators, zwangläufig zu erwarten.
Weiter ist ein Gas-Flüssigkeits-Trennbehälter bekannt, dem bei liegender Anordnung stirnseitig das Gas-Flüssigkeits-Gemisch eingegeben wird, um direkt einem Zyklonseparator zugeführt zu werden, aus dem es vorgetrennt in den unteren und oberen Bereich des Behälters austretend über eine Trennwand hinweg frei durch den Behälter hindurchfließen kann. An dem, dem Zyklonseparator entgegengesetzt liegenden Ende des zylindrischen Behälters wird das Gas dann kopfseitig und die Flüssigkeit durch eine Bodenöffnung entnommen (USA.-Patentschrift 2 610 697).

Schließlich ist noch ein Behälter der eingangs genannten Art für einen Siedewasser-Kernreaktor in Vorschlag gebracht worden (deutsche Patentschrift 1 208 833). Hier erfolgt die Ausbringung der Dampfblasen aus der Flüssigkeit im Steigrohrabschnitt durch natürliche Abtrennung. Um den Dampfblasen hierfür möglichst ausreichend Zeit zu geben, sind eine Vielzahl von Umlenkblechen vorgesehen, durch die Wirbel innerhalb der steigenden Flüssigkeit ausgebildet werden. Abgesehen davon, daß es eine derartige Anordnung nur bei sehr langsam umlaufenden Flüssigkeitsströmen erfolgreich Anwendung finden kann, geht bekanntlich durch Wirbelbildung innerhalb von Flüssigkeiten erhebliche Strömungsenergie verloren, was daher Druckverluste zwangläufig bedingen muß.

Andererseits wird in einem Flüssigkeitskreislauf mit ausschließlich natürlicher Dampfabtrennung ein großer Teil des nicht abgetrennten Dampfes durch die Flüssigkeit in das Fallrohr des Kreislaufes mitgerissen. In Abhängigkeit von der Temperatur und den Umlaufbedingungen wird ein Teil dieses Dampfes durch die Flüssigkeit bei ihrem Umlauf mitgenommen, während der größte Teil des Dampfes in dem Fallrohr verbleibend den Flüssigkeitsumlauf behindert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, diesen Mangel, der bei der ausschließlichen Anwendung der natürlichen Dampfabtrennung auftritt und den Nachteil, der bei der Hintereinanderschaltung einer erzwungenen und natürlichen Dampf-Flüssigkeitstrennung in den erheblichen Energieverlusten durch den Druckabfall bedingt ist, durch eine Art paralleler Anwendung von natürlicher und erzwungener Abtrennung zu vermeiden.

Die Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß im oberen Teil des Fallrohrabschnittes wenigstens ein an sich bekannter Zyklonseparator vorgesehen ist, dessen Einlaßöffnung direkt an der Überlaufstelle zwischen Steigrohrabschnitt und Fallrohrabschnitt und unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche liegt und dessen mittleres Teil mit dem Dampfraum über ein Rohr in Verbindung steht.

In einer vorteilhaften Weiterbildung kennzeichnet sich der Behälter zur Dampferzeugung und zum Trennen des Dampf-Flüssigkeitsgemisches auch noch dadurch, daß eine Mehrzahl annähernd senkrecht angeordneter Zyklonseparatoren vorgesehen ist, die dicht nebeneinander im Einlauf des Fallrohrabschnittes angebracht sind, und daß am oberen Teil der Separatoranordnung Mittel zum Schließen der Zwischenräume zwischen den einzelnen Zyklonseparatoren, sowie eine sich zwischen dem Steigrohrabschnitt und dem Fallrohrabschnitt erstreckende, sich dicht an den unteren Teil der Zyklonseparatoren anschließende Trennwand vorgesehen ist.

Auch ist es von Bedeutung, daß die Einlaßöffnung mindestens eines Zyklonseparators waagerecht durch den Wandteil eines Nachbarseparators und eine diesem Wandteil entgegenstehende, im wesentlichen ebene Platte begrenzt ist, die sich bis zum mittleren Teil des Zyklonseparators erstreckt.

Besonders vorteilhafte Ergebnisse ergeben sich auch, wenn mindestens ein Zyklonseparator schräg angeordnet und dessen oberes Ende gegen den Steigrohrabschnitt gerichtet ist.

In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel kann auch wenigstens ein Zyklonseparator um eine waagerechte, sich im wesentlichen parallel zur Trennwand erstreckende Achse drehbar angeordnet sein.

Zufolge der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Behälters läßt sich die Dampfabtrennung erheblich erhöhen, und zwar liegt sie merklich höher als bei einer entsprechenden Hintereinanderschaltung von erzwungener und natürlicher Abtrennung. Wenn bei der vorliegenden Ausführungsform ein Flüssigkeit-Dampf-Gemisch durch das Steigrohr durch natürliche oder intensivierte natürliche Umlaufbewegung fließt, muß die Flüssigkeit im weiteren Verlauf am oberen Ende des Steigrohres in die Separatoren eintreten. Die Dampfblasen können entweder vor Eintritt in die Separatoren nach oben aus der Flüssigkeit entweichen oder sie können mit der Flüssigkeit in die Separatoren hineingerissen werden und von diesen durch erzwungene Abtrennung in den Dampfraum freigegeben werden.

Die hier verwendeten Zyklonseparatoren können in an sich bekannter Weise von röhrenförmigem Aufbau sein, wobei sie einen Einlaß am oberen Ende für die tangentiale Einbringung des Dampf-Flüssigkeits-Gemisches und einen Auslaß im Bodenbereich für die Flüssigkeit sowie einen mittleren oberen Auslaß für den Dampf besitzen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auf die Abtrennung von Dampf oder Gas aus einer Flüssigkeit anwendbar, wobei es sich bei dem Dampf sowohl um Wasserdampf als auch um ein beliebiges anderes Gas handeln kann. Als Behälter lassen sich sowohl herkömmliche Boiler als auch verschiedene andere Tanks, wie sie aus der chemischen Industrie bekannt sind, verwenden.

Bei der Anwendung des vorliegenden Behälters in Verbindung mit Kernreaktoren hat sich gezeigt, daß die üblicherweise im Fallrohr mitgerissene Dampfmenge beträchtlich verringert werden kann, wodurch wiederum die Umlaufgeschwindigkeit der Flüssigkeit im Behälter selbst sich ohne Gefahr erhöhen läßt, da nicht mehr — wie bisher — im Fallrohr verbleibender Dampf gegen die nach oben gerichtete Bewegung im Steigrohr wirkt, d. h., daß sich der Flüssigkeitskreislauf erheblich besser als bisher stabilisieren läßt.

Für Kernreaktoranlagen, die in Verbindung mit der Schiffahrt Verwendung finden, ist noch von erheblicher Bedeutung, daß sich auch die Größe des Reaktortanks bei gleicher Leistung verringern läßt.
Die beiliegenden Zeichnungen zeigen beispielsweise Ausführungsformen des erfindungsgemäß ausgebildeten Behälters zur Dampferzeugung und Trennung des Dampf-Flüssigkeit-Gemisches, und es bedeutet

ίο Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch einen erfindungsgemäß ausgebildeten Behälter,

F i g. 2 einen waagerechten Schnitt längs der Linie A-A nachFig. 1,

Fig.3 einen senkrechten Schnitt entsprechend F i g. 1 durch eine weitere Ausführungsform eines Behälters,

F i g. 4 einen senkrechten, gebrochenen Schnitt durch eine weitere Ausführungsform,

F i g. 5 eine gebrochene Draufsicht, die der Ausführung nach F i g. 4 entspricht und

F i g. 6 einen senkrechten Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Behälter in Anwendung für einen Kernreaktor.

Wie aus den Zeichnungen ersichtlich, ist der Behälter mit einer Wärmequelle 2, einem Auslaß 3 und einem Einlaß 4 versehen, der den Dampfraum 5 und den Flüssigkeitsraum 6 des Behälters 1 mit einem Wärmeaustauscher verbindet. Eine den Flüssigkeitsraum 6 füllende Flüssigkeit wird bei Erwärmung mit- tels einer Wärmequelle 2 auf den Siedepunkt in natürlicher Weise umlaufen, wie durch Pfeile in F i g. 1 wiedergegeben. Der erzeugte Dampf wird von der Flüssigkeit im Dampfraum 5 über der Flüssigkeitsoberfläche 8 im wesentlichen durch Überführung von Dampfblasen 9 größeren Durchmessers abgetrennt, während einige der Dampfblasen 10 mit kleinerem Durchmesser durch die umlaufende Flüssigkeit in den Fallrohrabschnitt 11 des Kreislaufes eintreten, wo sie einer erzwungenen Abtrennung von der Flüssigkeit unterworfen werden.

Wie in den F i g. 1,2 und 3 gezeigt, ist eine Trennwand 13 zwischen dem Steigrohrabschnitt 12 und dem Fallrohrabschnitt 11 vorgesehen, und in dem oberen Teil des Fallrohrabschnittes und über der Trennwand 13 ist ein Zyklonseparator 14 angeordnet. An Stelle eines einzelnen Separators kann auch eine Mehrzahl derartiger Separatoren vorgesehen werden. Jeder Separator liegt vollständig in der Flüssigkeit 6, wobei der mittlere Abschnitt desselben mit dem Dampfraum 5 über der Flüssigkeitsoberfläche 8 über ein Rohr 15 in Verbindung steht.

Die Einlaßöffnung 16 zu dem Zyklonseparator 14 weist rechtwinklige Form auf, besitzt eine Höhe h und eine Breite b und ist unmittelbar über der Einlaßöffnung des Fallrohrabschnittes 11 angeordnet, d. h. über der oberen Seite der Trennwand 13. Sobald das Flüssigkeits-Dampf-Gemisch in die Einlaßöffnung 16 eintritt, wird dasselbe in an sich bekannter Weise gezwungen, den spiralförmig ausgeführten Wänden des Separatorrohrs zu folgen, wodurch es einem Feld beschleunigender Kräfte ausgesetzt ist, die von der mittleren Achse des Rohres radial nach außen gegen den Umfang gerichtet sind. Hierdurch wird die Flüssigkeit radial nach außen gedrückt, so daß die Dampfblasen längs der Mittellinie des Rohres zurückbleiben. Zusätzlich zu der Beschleunigungskraft wird das Gemisch der Schwerkrafteinwirkung unterworfen, so daß die Dampf blasen durch das Rohr 15

in den Dampfraum aufsteigen, während die Flüssigkeit durch den Fallrohrabschnitt 11 nach unten geführt wird.

Das Umlaufen der Flüssigkeit kann natürlich sein, d.h. durch den Aufheizvorgang über die Wärmequelle 2 bedingt werden, oder der natürliche Umlauf kann durch zusätzliche Anordnungen gefördert werden. Die Zyklonseparatoren können so angeordnet sein, daß sie benachbart zueinander liegen (siehe F i g. 2), und die Einlaßöffnung 16 jedes Zyklonseparators 14 kann in zweckmäßiger Weise durch die Wand 17 eines benachbarten Zyklonseparators und ein Leitblech 18 begrenzt sein, das sich von der Trennwand 13 aus in Richtung auf das mittlere Teil des Zyklonseparators 14 erstreckt und in einem gekrümmten Abschnitt 19 endet. Das obere Ende der Zylclonseparatoren ist durch eine Platte 20 (F i g. 1) verschlossen, so daß die Gesamtmenge der umlaufenden Flüssigkeit gezwungen wird, in die Einlaßöffnungen 16 einzutreten.

Der Durchmesser der Separatorrohre hängt von der der Dampfabtrennung zu unterwerfenden Flüssigkeit und dem Druck, der Temperatur und der Umlaufgeschwindigkeit ab. Der Fließquerschnitt der Einlaßöffnung und die Anzahl der Separatorrohre hängt von dem Verhältnis der Volumina von Dampf zu Flüssigkeit und von der Umlaufgeschwindigkeit ab.

Wie in der Fig. 3 gezeigt, können die Zyklonseparatoren 14 in geneigter Lage angeordnet sein. Der Winkel hängt vom Radius der Separatorrohre und den in dem Kreislauf vorherrschenden Bedingungen ab. Wenn somit die Umlaufbedingungen abgeändert werden, kann es sich als zweckmäßig erweisen, Zyklonseparatoren anzuwenden, die um eine waagerechte Achse gedreht werden können, so daß der Neigungswinkel in Abhängigkeit von den Umlaufbedingungen verändert werden kann.

Wenn der erforderliche Fließquerschnitt der Einlaßöffnungen 16 eine Höhe h erforderlich macht, die so groß ist, daß das Arbeiten der Separatoren nachteilig beeinflußt wird, kann diese dadurch verringert werden, daß mehrere parallele Reihen an Zyklonse-

paratoren vorgesehen werden, und zwar einer hinter dem anderen in der Fließrichtung der Flüssigkeit, und dergestalt, daß die Separatoren in jeder Reihe eine Stufe höher als diejenigen der vorangehenden Reihe angeordnet sind. Eine derartige Anordnung ist in den F i g. 4 und 5 gezeigt Die das obere Ende der Separatoren jeder Reihe schließende Platte 20 erstreckt sich in Richtung auf die Separatorrohre der folgenden Reihe und ist auf die Form derselben dergestalt to angepaßt, daß die Räume zwischen den Separatoren geschlossen sind, so daß Flüssigkeit nicht an den Zyklonseparatoren 14 vorbei in den Fallrohrabschnitt 11 fließen kann, ohne daß sie der erzwungenen Abtrennung unterworfen wird.
Nach Fig.6 ist ein Kernreaktortank 21 mit einem Auslaß 22 des Dampfraums 23 zu einem Wärmeaustauscher 24 und Einlaß 25 für das zurückgeführte Kondensat zu dem Flüssigkeitsraum 26 in dem Behältertank versehen. Der Reaktorkern 27 ist von einer Wand 28 umgeben, die das Steigrohr 29 des Behältertanks von dem Fallrohrabschnitt 30 trennt. Um das obere Teil der Wand 28 herum und über derselben ist eine Anzahl Separatoren 31 angeordnet, die in kreisförmigen, parallelen Reihen liegen. Jeder Separator 31 ist mit einem mittleren Rohr 32 versehen, das sich in den Dampfraum 23 erstreckt. Zwecks deutlicherer Darstellung ist in Fig.6 nur eine kleine Anzahl Separatoren gezeigt. In dem Dampfraum 23 ist ebenfalls ein herkömmlicher sekundärer Dampfseparator 33 für die abschließende Dampfabtrennung vor dem Uberführen des Dampfes durch den Auslaß 22 zu dem Wärmeverbraucher 24 vorgesehen.

Während des Betriebes des Reaktors wird die Kühlmittel- und/oder Moderatorflüssigkeit auf Grund der Erwärmung durch den Reaktorkern 27 nach oben durch das Steigrohr 29 fließen, über die obere Seite der Wand 28 treten und nach unten durch die Separatoren 31 und das Fallrohr 30 zu dem Kern umlaufen. Der in dem Kern erzeugte Dampf wird von der Flüssigkeit teilweise durch natürliche Abtrennung und teilweise durch erzwungene Abtrennung abgetrennt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Behälter zur Dampferzeugung und zum Trennen des Dampf-Flüssigkeit-Gemisches mit Wärmequelle, Wärmeaustauscher und Leitvorrichtungen im Flüssigkeitsraum, durch die ein Steigrohrabschnitt und ein Fallrohrabschnitt ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im oberen Teil des Fallrohrabschnittes (11) wenigstens ein an sich bekannter Zyklonseparator (14) vorgesehen ist, dessen Einlaßöffnung (16) direkt an der Überlaufstelle zwischen Steigrohrabschnitt (12) und Fallrohrabschnitt (11) und unterhalb der Flüssigkeitsoberfläche (8) liegt, und dessen mittleres Teil mit dem Dampfraum (5) über ein Rohr (15) in Verbindung steht.

2. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl annähernd senkrecht angeordneter Zyklonseparatoren (14) vorgesehen ist, die dicht nebeneinander im Einlauf des Fallrohrabschnittes (11) angebracht sind, und daß am oberen Teil der Separatoranordnung Mittel zum Schließen der Zwischenräume zwischen den einzelnen Zyklonseparatoren, sowie eine sich zwischen dem Steigrohrabschnitt (12) und dem Fallrohrabschnitt (11) erstreckende, sich dicht an den unteren Teil der Zyklonseparatoren (14) anschließende Trennwand (13) vorgesehen ist.

3. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnung (16) mindestens eines Zyklonseparators (14) waagerecht durch den Wandteil eines Nachbarseparators (14) und eine diesem Wandteil entgegenstehende, im wesentlichen ebene Platte (20) begrenzt ist, die sich bis zum mittleren Teil des Zyklonseparators (14) erstreckt.

4. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Zyklonseparator (14) schräg angeordnet und dessen oberes Ende gegen den Steigrohrabschnitt (12) gerichtet ist.

5. Behälter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Zyklonseparator (14) um seine waagerechte, sich im wesentlichen parallel zur Trennwand (13) erstreckende Achse drehbar angeordnet ist.