DE1551037A1 - Steam generator element - Google Patents

Steam generator element

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DE1551037A1
DE1551037A1 DE19661551037 DE1551037A DE1551037A1 DE 1551037 A1 DE1551037 A1 DE 1551037A1 DE 19661551037 DE19661551037 DE 19661551037 DE 1551037 A DE1551037 A DE 1551037A DE 1551037 A1 DE1551037 A1 DE 1551037A1
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steam generator
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heat
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reactor
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Kumpf Dipl-Ing Hermann
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Description

Dampf erzeug er elementSteam generates element

Die Entwicklung der Kernkraftwerkstechnik führt.in immer stärker werdendem Maße zum sogenannten integrierten Reaktor, d.h. einem Reaktor, bei dem Kern und Dampferzeuger im selben Druckgefäß liegen. Dieses Prinzip nat instesondere bereits bei gasgekühlten Reaktoren, bei denen die Möglichkeit besteht, mit z.B. in fast uiibegrenzten Dimensionen herstellbaren Betonkesseln zu arbeiten und bei fortschrittlichen Schiffsreaktoren, deren Leistung jedoch wesentlich geringer ist als die normaler Kraftwerksreaktoren, Eingang gefunden. Schwierig jedoch wird das Problem des BauesThe development of nuclear power plant technology is increasingly leading is becoming a so-called integrated reactor, i.e. a Reactor with the core and steam generator in the same pressure vessel lie. This principle, of course, already applies to gas-cooled reactors, where there is the option of using, for example, almost Concrete boilers manufactured in limited dimensions to work and advanced marine reactors, but their performance is much lower than that of normal power plant reactors, Entrance found. The problem of construction becomes difficult, however

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von integrierten Druckwasserreaktoren großer Leistung. Falls es jedoch gelingt, auch bei einigen "Ό0 MW den Dampferzeuger innerhalb des Druckgefäßes anzuordnen, ergeben sich sehr gewichtige Vorteile hinsichtlich Raum- und Materialbedarf. Insbesondere für den Primärkreislauf ist der Platzbedarf wesentlich kleiner und da der größte Teil desselben innerhalb des Reaktordruckgefäßes verläuft, ist auch die Sicherheit wesentlich größer. Dabei kann nicht nur an Stahl eingespart werden, vielmehr verringert sich in gleichem Maße auch der Aufwand für die Abschirraraaßnahmen. Infolge der kompakteren Kühlmittelführung sind auch die üruckverluste im Primärkreis wesentlich kleiner. Dies bedeutet, daß auch die notwendigen Pumpen und Pumpenleistungen kleiner als bisher sein können.of high capacity integrated pressurized water reactors. If However, the steam generator succeeds even with some Ό0 MW To be arranged within the pressure vessel results in very weighty advantages in terms of space and material requirements. In particular for the primary circuit, the space requirement is much smaller and since most of it is within the Reactor pressure vessel runs, the security is also much greater. It is not only possible to save on steel, on the contrary, the effort for the detachment measures is reduced to the same extent. As a result of the more compact coolant flow the return losses in the primary circuit are also significant smaller. This means that the necessary pumps and pump outputs can also be smaller than before.

Voraussetzung für den Bau solcher räumlich verhältnismäßig kleiner integrierter Reaktoren ist jedoch eine Dampferzeugerkonstruktion, die einen verhältnismäßig geringen Platzbedarf hat und außerdem eine ausreichende Zugänglichkeit des Reaktorkernes für den Brennelementwechsel gewährleistet.However, a prerequisite for the construction of such spatially relatively small integrated reactors is a steam generator design, which has a relatively small footprint and also sufficient accessibility to the reactor core guaranteed for the fuel element change.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen im Inneren von Kernreaktordruckgefäßen untergebrachten Dampferzeuger, der aus einer Vielzahl von Einzelelementen mit jeweils eigenen Sekundäranschlüssen besteht. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeübertragenden Flächen aus geraden Rohren oder Platten ohne ein eigenes Gehäuse zwischen Sammelräumen für den sekundären Wäremträger angeordnet sind und die StrömungsrichtungThe present invention relates to an interior of nuclear reactor pressure vessels housed steam generator consisting of a large number of individual elements, each with its own secondary connections consists. The invention is characterized in that the heat-transferring surfaces consist of straight tubes or plates are arranged without their own housing between collecting spaces for the secondary heat carrier and the flow direction

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des primären Wärmeträgers im wesentlichen senkrecht zu derjenigen des sekundären verläuft.of the primary heat carrier substantially perpendicular to that of the secondary runs.

Dieses Dampferzeugerprinzip hat den Vorteil, daß die relativ kleinen einzelnen Dampferzeugerelemente für sich gebaut und geprüft werden können, was wesentlich einfacher ist als die Erstellung und Prüfung eines einzigen großen Dampferzeugers. Sollten während des Betriebes an einzelnen Elementen Schwierigkeiten auftreten, so ist es kein Problem, diese ohne Unterbrechung des gesamten Betriebes für sich bis zur nächsten Überholung der gesamten Anlage abzuschalten. Der Primärkühlmitteldruck, der als Außendruck auf die wärmeübertragenden Flächen wirkt, ist immer größer als der Druck des sekundären Kühlmediums. Dies ermöglicht die Abstützung verschiedener Bauteile der Dampferzeugerelemente gegeneinander oder gegen benachbarte Bauteile in kurzen Abständen und damit geringe Wandstärken von z.B. Rohrplatten oder Wärmetauscherplatten trotz hoher Systemdrücke. Daraus ergibt sich wiederum ein geringes Gewicht und kleinere Empfindlichkeit gegenüber thermischen Spannungen und Temperaturänderungen. Damit wird andererseits wiederum eine äußerst kompakte Ausführung der Wärmetauscher ermöglicht, was in Anbetracht der Aufgabenstellung notwendig ist. Alle beweglichen und evtl. reparaturbedürftigen Komponenten, wie z.B. Pumpen, können oben am Reaktorkessel angeordnet werden, also an der für die Zugänglichkeit günstigsten Stelle.This steam generator principle has the advantage that the relatively small individual steam generator elements are built for themselves can be checked, which is much easier than that Creation and testing of a single large steam generator. Should difficulties arise with individual elements during operation occur, it is not a problem to do this without interrupting the entire operation until the next overhaul switch off the entire system. The primary coolant pressure, which acts as the external pressure on the heat transferring surfaces is always greater than the pressure of the secondary cooling medium. This enables different components of the steam generator elements to be supported against one another or against neighboring ones Components at short intervals and thus low wall thicknesses of e.g. tube plates or heat exchanger plates despite high system pressures. This in turn results in a low weight and less sensitivity to thermal stresses and temperature changes. On the other hand, this becomes a The extremely compact design of the heat exchanger enables what is necessary in view of the task at hand. All movable and any components in need of repair, such as Pumps can be arranged at the top of the reactor vessel, i.e. in the most convenient place for accessibility.

Diese Grundzüge der vorliegenden Erfindung und weitere Einzelheiten seien an Hand der nachfolgenden Figuren näher erläutert.These principles of the present invention and other details are explained in more detail with reference to the following figures.

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Figur 1 zeigt schematisch die Anordnung von Reaktorkern 1 und Wärmetauscher bzw. Dampferzeuger 5 im Kessel 3 eines Druckwasserreaktors. Der thermische Schild ist mit 2, die Pumpe - eine Propellerpumpe - mit 4 bezeichnet. Die Kühlmittelführung ist durch Strömungspfeile dargestellt. Man muß sich dabei vorstellen, daß der gesamte Dampferzeuger aus einer etwa ringförmigen Anordnung von Einzelelementen 5 besteht, deren jedes mit Speisewasserzuführungs- und Dampfabführungsrohren versehen ist. Ks kann vorteilhaft sein, radial zum Reaktorkessel mehrere schmälere Dampferzeugerelemente anzuordnen, nicht, wie gezeichnet, nur eines. Ebenso ist statt der ringförmigen Anordnung eine solche in mehreren z.B. rechteckigen Gruppen möglich, zwischen denen in Umfangsrichtung gesehen, z.B. die Kühlmittelpumpen angeordnet sind. Dabei bestehen die wärmeübertragenden Flächen nicht wie üblich aus U-förmig gebogenen Rohren, sondern aus eng nebeneinander stehenden Rohren, Blechen oder Taschen, die von dem zu verdampfenden Medium gleichmäßig zur Reaktorachse, hier von unten nach oben, durchströmt werden, während das Reaktorkühlmittel im wesentlichen horizontal, also im Querstrom dazu, hindurchfließt. Bei einer derartigen Anordnung kann im Vergleich zu einem handelsüblichen Wärmetauscher mit U-förmig gebogenen Rohren und den dort notwendigen dicken Rohrplatten etwa die 2,5 bis 3-fache Wärmetauscherfläche untergebracht werden.Figure 1 shows schematically the arrangement of the reactor core 1 and heat exchanger or steam generator 5 in the boiler 3 of a pressurized water reactor. The thermal shield is marked with 2, the pump - a propeller pump - with 4. The coolant flow is represented by flow arrows. You have to imagine that the entire steam generator consists of an approximately annular arrangement consists of individual elements 5, each of which is provided with feedwater supply and steam discharge pipes. Ks it can be advantageous to arrange several narrower steam generator elements radially to the reactor vessel, not as shown, only one. Likewise, instead of the ring-shaped arrangement, one in several e.g. rectangular groups is possible, between which, seen in the circumferential direction, e.g. the coolant pumps are arranged. The heat-transferring surfaces exist not as usual from U-shaped bent tubes, but from tubes, sheets or pockets that are close to each other the medium to be evaporated flows through evenly to the reactor axis, here from bottom to top, while the The reactor coolant flows through it essentially horizontally, that is to say in cross-flow. With such an arrangement compared to a conventional heat exchanger with U-shaped bent tubes and the thick tube plates required there accommodated about 2.5 to 3 times the heat exchanger surface will.

Die Figur 2 zeigt nun ein mögliches Beispiel für den Aufbau eines Dampferzeugerelementes im Aufriß. Die Figuren 3 und 4FIG. 2 now shows a possible example of the structure of a steam generator element in elevation. Figures 3 and 4

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stellen mögliche Grundrißformen dar, wobei darauf hinzuweisen ist, daß selbstverständlich auch andere Querschnitte, also z.B. Sechsecke, Trapeze usw. möglich sind. Allen diesen Konstruktionen gemeinsam sind die möglichst eng stehenden Wärmetauscherrohre 6, die dicht nebeneinander in dünne Endplatten 7 eingeschweißt sind. Diese Endplatten können trotz der hohen Systemdrücke wegen der dicht nebeneinander stehenden Rohre dünn gehalten werden, was einen wesentlichen Vorteil gegenüber bisherigen Anordnungen bedeutet. Konstruktive Einzelheiten für die Ermöglichung einer sehr engen Rohrteilung bei gleichzeitiger guter Schweißbarkeit mit den Endplatten 7 zeigen die Figuren 5 und 6, wobei die Figur 5 beispielsweise einen Ausschnitt an der oberen Kammer für den Dampfaustritt und die Figur 6 einen Ausschnitt aus der unteren Kammer für den Speisewassereintritt zeigt.represent possible ground plan forms, with reference to this is that, of course, other cross-sections, e.g. hexagons, trapezoids, etc. are also possible. All of these constructions The heat exchanger tubes 6, which are as closely spaced as possible and are welded close together in thin end plates 7, are common are. In spite of the high system pressures, these end plates can be kept thin because of the closely spaced pipes become, which means a significant advantage over previous arrangements. Construction details for FIG. 5 shows the possibility of a very narrow pipe division while at the same time being good weldability with the end plates 7 and 6, FIG. 5 showing, for example, a section of the upper chamber for the steam outlet and FIG. 6 showing a Section from the lower chamber for the feed water inlet shows.

Die obere Sammelkammer 8 für den Dampf und die untere Kammer 9 für den Speisewassereintritt sind von auf den Rohrplatten 7 senkrecht stehenden durchlochten Blechen 1υ und 11 durchzogen, welche die Aufgabe haben, die von außen wirkenden Druckkräfte gleichmäßig auf die Endplatten 7 zu verteilen. Ohne diese Blechstützen 10 und 11 würden unter Umständen unzulässig hohe FIräfte auf die cchweißnähte zwischen den Endpiatten und den aie Kammern 8 und 9 abschließenden Deckeln 12 und 13 wirken, da das Primärmedium normalerweise bei Wasserreaktoren immer einen höheren Druck hat als aas Sekunaärmedium. Die Rohre 6 sind durch Abstandshalter, z.B. einfache Lochbleche, gegeneinander abgestützt.The upper collecting chamber 8 for the steam and the lower chamber 9 for the feed water inlet are on the tube plates 7 vertically standing perforated sheets 1υ and 11 traversed, which have the task of distributing the pressure forces acting from outside evenly on the end plates 7. Without these sheet metal supports 10 and 11 would under certain circumstances inadmissibly high forces on the weld seams between the end plates and the chambers 8 and 9 final lids 12 and 13 act as the primary medium usually a higher one for water reactors Pressure has as a secondary medium. The tubes 6 are through spacers, e.g. simple perforated sheets, supported against each other.

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Nach Figur 2 strömt Speisewasser durch die zentrale Leitung 14 von oben in die untere Kammer ein, verteilt sich dort auf die Rohre 6. Der Dampf, der sich in diesen Rohren 6, etwa nach dem Benson-Prinzip bildet, sammelt sich in der oberen Kammer 6 und wird durch die Leitung 16, die evtl. absperrbar sein kann, dem Verbraucher zugeleitet. Die Frischwasserleitung 14 verläuft dabei z.B. im Inneren des Bolzens 18. Dieser ist mit seinem unteren Ende in das Gewindestück 17 der Sammelkammer B eingeschraubt, durchdringt mit seinem oberen Ende die Dampfabführungsleitung 16 und ist gegenüber dieser mit einem Dichtungsring 1 j una der Mutter 20 abgedichtet. Über dieser Abdichtung ist eine normale Rohrverschraubung 21 angedeutet, die für die Demontage eines evtl. schadhaften Dampferzeugerelementes leicht abgenommen werden kann. Mit Hilfe des Bolzens 1Ö ist das ganze Dampferzeugerelement gehaltert und gleichzeitig über die Wandung 12 der oberen Kammer 8 in einer entsprechenden Ausdrehung des Kesselmantels 3 gelagert und abgedichtet. Selbstverständlich wäre es auch möglich, das dpeisewasser nicht wie dargestellt, konzentrisch, sondern über eine 'Extraleitung, die gestrichelt dargestellt ist (15), zuzuführen.According to FIG. 2 , feed water flows through the central line 14 from above into the lower chamber, where it is distributed over the pipes 6. The steam that forms in these pipes 6, roughly according to the Benson principle, collects in the upper chamber 6 and is fed to the consumer through line 16, which can possibly be shut off. The fresh water line 14 runs inside the bolt 18, for example. A normal pipe screw connection 21 is indicated above this seal, which can easily be removed for the dismantling of a possibly damaged steam generator element. With the help of the bolt 10, the entire steam generator element is held and at the same time supported and sealed via the wall 12 of the upper chamber 8 in a corresponding recess in the boiler shell 3. Of course, it would also be possible not to supply the feed water concentrically as shown, but via an extra line, which is shown in dashed lines (15).

Die Verdampferrohre haben lichte Durchmesser um 10 mm und Abstände um 1,5 mm, sind also kleiner und viel enger gestellt, als bisher üblich und möglich. Wie bereits erwähnt, ergibt ein derartig aufgebauter Dampferzeuger gegenüber einem gleicher räumlicher Größe, jedoch mit den üblichen Rohranordnungen und Dimensionen eine 2,5 bis 3-fache Heizfläche. Ein Auftau eines der-The evaporator tubes have a clear diameter of 10 mm and spacing around 1.5 mm, so they are smaller and much narrower than previously possible and possible. As already mentioned, this gives one built-up steam generator compared to a similar spatial size, but with the usual pipe arrangements and dimensions 2.5 to 3 times the heating surface. A thawing of one of the

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artigen Wärmetauschers rait plattenförmigen Heizflächen steigert dieses Verhältnis sogar etwa auf das 4-fache, was für die Konstruktion von solchen Dampferzeugern für integrierte Kernrealctoren von besonderem Vorteil ist. ' - ,like heat exchanger rait plate-shaped heating surfaces increases this ratio even about 4 times what for the construction of such steam generators for integrated core reactors is of particular advantage. '-,

Figur 7 zeigt einen teilweisen Aufriß eines solchen Wärmetauschers aus einzelnen Hatten, in vergleichbaren Dimensionen wie Figur 2 aber mit übertrieben dick gezeichneten Platten. Die Figuren 8. und j zeigen einen teilweisen querschnitt entlang der Linie VIII-VlIl aus Figur 7· Dabei ist Figur 8 zu entnehmen, daß der Wärmetauscher aus geraden Flächen 23 aufgebaut ist, die durch drabvtfärmige, geradlinige oder gewellte Abstandshalter 22, die in Stromungsrichtung des gebildeten Dampfes verlaufen, gegen den Außendruck druckfest gemacht sind. In Strömungsrichtung des Primärmediums, also horizontal bzw. senkrecht zur Dampfströmung, sind horizontale drahtförmige Abstandshalter· 22a vorgesehen, die gleichzeitig auch als Strömungsleiteinrichtungen fungieren, damit das Kreuz-Gegenstrom-Prinzip mögliehst gut über die gesamte Länge bzw. Höhe des Dampferzeugerelementes gewährleistet bleibt. Figur 9 zeigt ähnlich wie Figur 8 einen Querschnitt durch das Dampferzeugereleraent nach Figur Hier sind jedoch die Heizflächen 23a in der dargestellten Weise gewellt ausgebildet und stützen sich somit direkt ohne zusätzliche Abstandshalterdrähte 23 gegeneinander ab.Figure 7 shows a partial elevation of such a heat exchanger from individual hats, in dimensions comparable to Figure 2, but with exaggeratedly thick plates. the Figures 8 and j show a partial cross section along the line VIII-VIII from Figure 7. Figure 8 can be seen here, that the heat exchanger is constructed from straight surfaces 23, which by drabvtfärmige, straight or corrugated spacers 22, which run in the direction of flow of the steam formed, are made pressure-resistant against external pressure. In the direction of flow of the primary medium, i.e. horizontal or perpendicular to the steam flow, are horizontal wire-shaped spacers 22a is provided, which at the same time also act as flow guide devices act so that the cross-countercurrent principle is possible well over the entire length or height of the steam generator element remains guaranteed. Like FIG. 8, FIG. 9 shows a cross section through the steam generator element according to FIG Here, however, the heating surfaces 23a are in the manner shown Corrugated and thus are supported directly against one another without additional spacer wires 23.

Wie bereits erwähnt, sind solche Plattenwärmetauscher vorzugsweise dann anwendbar, wenn außen, d.h. in den HorizontalkanälenAs already mentioned, such plate heat exchangers are preferred then applicable when outside, i.e. in the horizontal ducts

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für das Primärkühlmittel ein höherer Druck herrscht als in den Vertikalkanälen für das sekundäre Kühlmittel. Da die Schweißverbindungen dabei größtenteils auf Druck beansprucht werden, sind sie sehr stabil, selbst Fehler und nicht durchgehende Risse in diesen Platten können sich daher kaum bis zu einem Leck ausweiten. Gegenüber Wärmetauschern mit Rohren, wie sie eingangs beschrieben wurden, scheinen lediglich die langen Vertikalschweißnähte ein Nachteil zu sein. Dies kann jedoch nicht schwerwiegend sein, da alle Schweißnähte gerade und gleichmäßig sind und naher eine typische Automatenarbeit darstellen. AuiSerdem ist aas Blech wesentlich billiger als die benötigten Rohre und die im gleichen Raum unterzubringende Wärmeübertragungsflache größer, ferner der Primärdruckverlust kleiner als bei vergleichbaren max. Strömungsgeschwindigkeiten.the pressure for the primary coolant is higher than in the vertical channels for the secondary coolant. Since the Welded joints are largely subjected to pressure, they are very stable, even defects and not continuous Cracks in these plates can therefore hardly expand into a leak. Compared to heat exchangers with tubes, As described at the beginning, only the long vertical weld seams seem to be a disadvantage. This can not be serious however as all welds are straight and even and closer to being a typical machine work represent. In addition, the sheet metal is much cheaper than the pipes required and the heat transfer surface to be accommodated in the same space are larger, as is the primary pressure loss smaller than with comparable maximum flow velocities.

Plattenwärmetauscher, die leichter zu sehweißen sind, sind in den Figuren 10, 11 und 12 dargestellt. Sie zeichnen sich dadurch aus, daß die Wdndstärke der Platten an den Schweißstellen wesentlich größer ist, z.B. 3 bis 5 mm, während die Strömungskanäle durch entsprechende Vertiefungen dieser starken Platten gebildet sind. Die Vertiefungen können in an sich bekannter Wei'se durch spanende bzw. spanlose Verarbeitung hergestellt werden. Die Blechdicken an den dünnsten Stellen betragen dabei etwa 1 mm. Die Figur 10 zeigt einen Ausschnitt aus einem derartigen Dampferzeuger, wobei die einzelnen Platten, die normalerweise zusammengeschweißt sind, wegen der übersichtlicheren Darstellung auseinandergezeichnet sind. DiePlate heat exchangers that are easier to weld are shown in FIGS. 10, 11 and 12. They are characterized by the fact that the wall thickness of the plates at the welds is much larger, e.g. 3 to 5 mm, while the flow channels through corresponding depressions of these strong Plates are formed. The depressions can be made in a manner known per se by machining or non-cutting processing getting produced. The sheet thickness at the thinnest points is about 1 mm. FIG. 10 shows a section from such a steam generator, the individual plates, which are normally welded together, because of the clearer Representation are drawn apart. the

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Außenplatten 28, die das Wärmetauscherelement begrenzen, sind glatt und tragen- lediglich an beiden Schweißrändern je eine Nut 26, die als Drosselsfcelle für den Wärmeabfluß beim Schweißen fungiert und damit eine Verbesserung der Schweißwurzel bewirkt. "Die Platten 24 und 2b sind jeweils auf der einen Seite, wie dargestellt, mit Längs- bzw. Querrinnen versehen. Auf ihrer Rückseite tragen sie wiederum die Nuten 26 in der Nähe der Schweißstelle. Diese Nut 26 ist in der letzten Ansicht der Platte 24» die eine perspektivische Rückansicht darstellt, besser zu sehen. Es sind dort auch noch Ausnehmungen 27 eingezeichnet, die angebracht werden können, um die Materialstärke zwischen den einzelnen Rinnen zu verringern. In dieser dargestellten Reihenfolge werden die Platten aneinandergeschweißt, so daß sich die Strömungswege für das Primärkühlmittel und das Sekundärkühlmittel ausbilden. Die Tiefe bzw. die,Breite dieser Stromungskanäle liegt dabei in der Größenordnung von 1,9 bis 4 mm. Selbstverständlich können die Strömungsrinnen auch mit einem anderen Querschnitt, z.B. einem rechteckigen Querschnitt, versehen werden, wodurch eine weitere Materialersparnis und eine Vergrößerung der Wärmeleitung zwischen den wärmetauschenden Medien erzielt wird. Eine Darstellung der Schweißverbindung zwischen den Platten 24 und zeigt Figur 10a, aus der auch die Punktion der Nuten 26 zu ersehen ist.Outer plates 28 defining the heat exchanger element are smooth and only wear a groove 26 on each of the two welding edges, which act as a throttle skin for the heat dissipation during welding acts and thus causes an improvement in the sweat root. "Plates 24 and 2b are each on one side, like shown, provided with longitudinal and transverse grooves. On their back they in turn have the grooves 26 in the vicinity of the Welding point. This groove 26 is in the last view of the plate 24 »which represents a perspective rear view, better to see. There are also recesses 27 drawn in there, which can be attached to reduce the material thickness between the individual channels. In this sequence shown, the plates are welded together so that the flow paths for the primary coolant and form the secondary coolant. The depth or the width of these flow channels is on the order of 1.9 to 4 mm. Of course, the flow channels can also be provided with a different cross-section, e.g. a rectangular cross-section, whereby another Material savings and an increase in heat conduction between the heat-exchanging media is achieved. A depiction the welded connection between the plates 24 and FIG. 10a shows from which the puncture of the grooves 26 is also shown is seen.

Anstelle der Platten 24 können gemäß Figur 11 auch Platten treten, bei denen durch die Ausarbeitung von senkrecht zu ein-Instead of the plates 24, according to FIG.

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ander stehenden Rillen keine Stützrippen, sondern lediglich Stutzpunkte 30 gebildet werden, die die Plattenfläche sozusagen in eine Vielzahl von kleinen, miteinander verbundenen "Gewölben" unterteilt. Hier ist die Durchmischung des Dampfes besser, die Austauscherfläche wird auch etwas größer, allerdings ist infolge des höheren otrömungswiderstandes auch aer Druckverlust etwas hoher.on the other standing grooves no support ribs, but only support points 30 are formed, which, so to speak, the plate surface divided into a multitude of small, interconnected "vaults". Here the mixing of the steam is better that Exchanger surface is also a little larger, but this is a result the higher flow resistance also the pressure loss is somewhat higher.

Eine anaere Variation der Plattenausbildung zeigt Figur 12. Hier wechseln die Platten 40 und 50 miteinander ab, wobei die Platte 40 auf beiden Seiten in verschiedenen Richtungen für die beiden Strömungsmittel genutet ist und die Platte 50 jeweils nur als Abdeckplatte bis auf die Schweißnut 26 glatt ausgeführt ist.Another variation of the plate design is shown in FIG. 12. Here the plates 40 and 50 alternate with one another, the Plate 40 is grooved on either side in different directions for the two fluids and plate 50 respectively is only designed as a cover plate except for the welding groove 26 smooth.

Diese Beispiele sollten lediglich zeigen, daß es auf verhältnismäßig einfache Weise konstruktiv möglich ist, Wärmetauscher mit einer derartig hohen Konzentration der wärmetauschenden Flächen auszubilden. Die weiteren Figuren zeigen ergänzend zu Figur 2 wie solche Wärmetauscherelemente bei einem sogenannten integrierten Reaktor im gleichen Druckgefäß untergebracht werden können.These examples should only show that it is proportionate a simple way of construction is possible, heat exchangers with such a high concentration of heat exchangers To train surfaces. The other figures show in addition to Figure 2 how such heat exchanger elements in a so-called integrated reactor can be accommodated in the same pressure vessel.

Nach Figur 13 ist der Deckel 31 des Druckkessels 3, der etwa den gleichen Durchmesser hat, mit den darauf sitzenden Hauptumwälzpumpen 32 abhebbar. Die Dampferzeugerelemente 33» die hier auf zwei konzentrischen Kreisen angeordnet sind, durch-According to Figure 13, the lid 31 of the pressure vessel 3, which is about has the same diameter, with the main circulation pumps on it 32 can be withdrawn. The steam generator elements 33 », which are arranged here on two concentric circles, go through

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dringen ^*4*g-e«, mit ihren Dampfleitungen einen Planschring 34, an dem auch die Strömungsleiteinrichtungen oberhalb des eigentlichen Reaktorkernes 35 befestigt sind. Diese Bauelemente können daher bei einer Überholung des Reaktors als Einheit nach Lösung · des Deckels abgehoben werden. Durch Pfeile ist der Strömungsweg des Primärkühlmittels angedeutet. Dieses strömt zunächst durch den Reaktorkern nach oben, tritt in die untere Hälfte der Wärmetauscherelemente 33 ein und strömt nach außen und von dort über die obere Hälfte wiederum nach innen, wird von der Hauptumwälzpumpe 3 P im abgekühlten Zustand erfaßt und entlang der Druckbehälterwand 3 wieder nach unten zum erneuten Eintritt in den Reaktorkern 1 befördert.penetrate ^ * 4 * ge «, with their steam lines a planing ring 34 to which the flow guide devices above the actual reactor core 35 are also attached. When the reactor is overhauled, these components can therefore be lifted off as a unit after the cover has been removed. The flow path of the primary coolant is indicated by arrows. This first flows up through the reactor core, enters the lower half of the heat exchanger elements 33 and flows outwards and from there over the upper half again inwards, is captured by the main circulation pump 3 P in the cooled state and afterwards again along the pressure vessel wall 3 conveyed down to re-entry into the reactor core 1.

Die Anordnung der Wärmetauscherelemente in einem integrierten Reaktor gemäß Figur 14 ist ähnlich wie in Figur 13, jedoch sind die Wärmetauscherelemente auf dem inneren Ring mit dem Deckel 31 des Reaktordruckgefäßes verlanden und können mit.demselben abgehoben werden. Die Elemente auf dem äußeren Kreis dagegen durchsetzen mit ihren Dampfleitungen den oberen Flanschring des Reaktordruckgefäßes 3· Sie haben einen derartigen Innendurchmesser, daß der eigentliche Reaktorkern 1 ohne Demontage derselben ausgebaut werden kann. Der Strömungsverlauf des Primärmediums ist hier der gleiche wie in der Anordnung nach Figur 13. Die Hauptumwälzpumpe 32 wurde der Übersichtlichkeit halber weggelassen. The arrangement of the heat exchanger elements in an integrated reactor according to FIG. 14 is similar to that in FIG the heat exchanger elements silt up on the inner ring with the lid 31 of the reactor pressure vessel and can mit.dem same be lifted off. The elements on the outer circle, on the other hand, penetrate the upper flange ring of the with their steam pipes Reactor pressure vessel 3 · They have such an inner diameter that the actual reactor core 1 without dismantling the same can be expanded. The flow course of the primary medium is the same here as in the arrangement according to FIG. 13. The main circulation pump 32 has been omitted for the sake of clarity.

Figur 15 zeigt eine Anordnung, bei der die DampferzeugerelementeFigure 15 shows an arrangement in which the steam generator elements

- 11 - Mü/Fra- 11 - Mü / Fra

909883/0798909883/0798

BAD ORIGINALBATH ORIGINAL

in ringförmiger Polge ,jeweils oberhalb und unterhalb dec eigentlichen Reaktorkernes im gemeinsamen Reaktordruckgefäß untergebracht sind. Bei entsprechender Verteilung der Dampferzeugerelemente besteht auch bei dieser Anordnung die Möglichkeit, daß das Sekundärkühlraittel im Naturumlauf durch die Dampferzeugerelemente strömt.in a ring-shaped pole, each above and below dec actual reactor core are housed in the common reactor pressure vessel. With appropriate distribution of the steam generator elements there is also the possibility with this arrangement that the secondary cooling means in natural circulation through the steam generator elements flows.

Diese Anordnungsweisen der Dampferzeugerlemente gewährleisten nicht nur eine größere Sicherheit im Betrieb des gesamten Dampferzeugers und eine Vereinfachung der Herstellungsweise desselben, sie vermeiden auch große Kesseldurchbrüche und erlauben eine andere und bedeutend günstigere Sicherheitsplanung für den ganzen Primärkreis.Ensure this arrangement of the steam generator elements not only greater safety in the operation of the entire steam generator and a simplification of the manufacturing process of the same, they also avoid large boiler openings and allow one different and significantly more favorable safety planning for the entire primary circuit.

Die spezielle Bauform dieser Dampferzeuger kann jedoch auch mit Vorteil bei solchen integrierten Kernreaktoren verwendet werden, bei denen die Brennelementekanäle über die ganze Länge des Reaktordruckgeäßes hindurchgeführt sind, wie z.B. bei schwerwassermoderierten Kernreaktoren. Derartige Verhältnisse sind in der Figur 16 dargestellt. Ein solcher Aufbau würde mit Dampferzeugern herkömmlicher Bauart nicht nur vom Standpunkt der zu geringen Wärmetauscherflächen, sondern auch aus rein konstruktiven Gründen auf nahezu unüberwindliche Schwierigkeiten stoßen und daher nicht durchführbar sein. Mit den Dampferzeugerelementen nach der vorliegenden Erfindung dagegen ist die benötigte Wärmetauscherfläche sichergestellt und ist vor allem auch der konstruktive Aufbau des gesamten Systeme ohne besondereThe special design of these steam generators can, however, also be used to advantage in such integrated nuclear reactors in which the fuel channels are passed over the entire length of the reactor pressure vessel, e.g. heavy water moderated nuclear reactors. Such relationships are shown in FIG. Such a structure would be with Steam generators of conventional design not only from the point of view of the too small heat exchanger surfaces, but also purely constructive reasons encounter almost insurmountable difficulties and therefore not be feasible. With the steam generator elements according to the present invention, however, the required heat exchanger surface is ensured and is above all also the structural design of the entire system without special

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909883/0798 βΔ1_909883/0798 βΔ1 _

BAO ORIGINAL BA O ORIGINAL

1551O37m66/1066 1551O37 m66 / 1066

/3/ 3

Schwierigkeiten durchzuführen. Der Schwerwasserinhalt dieser Anordnung ist kleiner als bei der üblichen Führung des Primärkühlmittels durch außen angeordnete konventionelle Wärmetauscher,Difficulties to carry out. The heavy water content of this Arrangement is smaller than with the usual guidance of the primary coolant by externally arranged conventional heat exchangers,

Der Vollständigkeit halber sei erwähnt, aaß die einzelnen Wärmetauscherelemente, vorzugsweise jene, die in radialer Riehtung nebeneinander'angeordnet sind,'hinsichtlich der Strömung des sekundären Wärme trägers hintereinander geschaltet werden können. Dadurch entsteht ein Gegenstromwärmetauscher mit ausgeprägtem Vorwärmteil und Überhitzer- bzw. Trocknungsteil.For the sake of completeness it should be mentioned that the individual ate Heat exchanger elements, preferably those in the radial direction are 'arranged next to each other' with regard to the flow the secondary heat carrier can be connected in series. This creates a counterflow heat exchanger with a distinctive Preheating part and superheating or drying part.

pigur 17 zeigt einen derartigen Dampferzeuger, der aus dem Vorwärmer 51, dem Verdampfer 52 und dem Üterhitzer 53 besteht. Der sekundäre Wärmeträger tritt bei 54 ein und verläßt den Reaktor als Dampf bei 55.■ Der Strom des primären Wärmeträgers ist wieder radial und horizontal von innen nach außen gerichtet, so daß das Wärmetauscherelement 53 mit dem heißesten und das Element p igur 17 shows such a steam generator, consisting of the preheater 51, the evaporator 52 and the Üterhitzer 53rd The secondary heat carrier enters at 54 and leaves the reactor as steam at 55. The flow of the primary heat carrier is again directed radially and horizontally from the inside to the outside, so that the heat exchanger element 53 with the hottest and the element

51 mit dem kältesten Wärmeträger in Berührung kommt.51 comes into contact with the coldest heat transfer medium.

Die Figur 18 zeigt eine ahnliche Ausführungsform eines derartigen Wärmetauschers im Schnitt und Figur 20 im Grundriß. Figur 19 zeigt, sozusagen in abgewinkelter Weise, die Hintereinanderschaltung der Wärmetauscherelemente 53» 52 und 51, wobei gemäß Figur 20 der Wärmetauscher c· 1 zwischen den ElementenFIG. 18 shows a similar embodiment of such a heat exchanger in section and FIG. 20 in plan. FIG. 19 shows, so to speak in an angled manner, the series connection of the heat exchanger elements 53 »52 and 51, with the heat exchanger c · 1 between the elements according to FIG

52 und 53 angeordnet ist. Zum Unterschied von Figur 17 liegen hier die sekundären Ein- und Austrittsleitungen oben, also weit weg vom Reaktorkern. Beim Ein- oder Ausbau eines Dampf-52 and 53 is arranged. In contrast to FIG. 17, here the secondary inlet and outlet lines are at the top, that is far away from the reactor core. When installing or removing a steam

- 13 - Mü/Fra- 13 - Mü / Fra

90988 3/0 79 890 988 3/0 79 8

BADBATH

PLA 66/1066PLA 66/1066

erzeugerelementes braucht der Wasserspiegel im Reaktor also nur bis knapp an die. Einführungsleitung 54 abgesenkt zu werden. Dies bedeutet, daß über dem Kern noch mehr als 6 bis 7 Meter Wasser als Abschirmung verbleiben, wenn an den sekundären Ein- und Austrittsleitungen 54 und 55 Schweiß- oder Trennarbeiten vorgenommen werden müssen.generating element, the water level in the reactor only needs up to just under. Introductory line 54 to be lowered. This means that more than 6 to 7 meters of water remain above the core as a shield if the secondary input and outlet lines 54 and 55 welding or cutting work must be carried out.

Der Ausbau der D^mpferzeugerelemente kann sich dabei nach folgenden Schritten abspielen: Lösen der '/erbindungen mit den Ein- und Austrittsleitungen 54 bzw. 55, radiale Verschiebung der losen Dampferzeugerelemente nach innen und anschließend Entfernung derselben durch die obere kleine Kesselöffnung. Anschließend kann auch der jeweilige Vorwärmer 51 in gleicher Weise ausgebaut werden, uer gemäß Figur 0 zwischen den Elementen 53 und 5? angeordnet ist. In umgekehrter Reihenfolge ist der Einbau dieser Kiemente zu bewerkstelligen, wobei es zweckmäßig ist, die Verbindung mit den Zu- und Abführungsleitungen 54 und 55 von außerhalb des Kessels über das Innere dieser Leitungen durchzuführen. Hierfür geeignete Verbindungselemente gehören zum Stande der Technik und sollen hier nicht näher beschrieben werden. Diese Technik ist auch in Figur 19 angedeutet, wo mit dem Bezugszeichen 60 auf eine derartige Stelle hingewiesen wird. Bei dieser Konstruktion wird außerdem in der Zuführungsleitung 54 von außen ein Verschlußstopfen 59 eingesetzt, der die durch Pfeile dargestellte Stromungsrichtung des sekundären Wärmeträgers im Sinne einer Reihenschaltung der drei Dampferzeugerelemente sicherstellt. Die Strömung des primärenThe expansion of the steam generator elements can be according to the following Play steps: Loosen the '/ bindings with the inlet and outlet lines 54 and 55, radial displacement of the loose steam generator elements inside and then remove them through the upper small boiler opening. Afterward the respective preheater 51 can also be removed in the same way, e.g. between the elements according to FIG 53 and 5? is arranged. The installation of these Kiemente is to be accomplished in reverse order, whereby it is expedient is, the connection with the supply and discharge lines 54 and 55 from outside the boiler via the interior of this Conduct lines. Fastening elements suitable for this belong to the state of the art and will not be described in more detail here will. This technique is also indicated in FIG. 19, where reference numeral 60 indicates such a point will. In this construction, a plug 59 is also inserted from the outside in the supply line 54, the direction of flow of the secondary heat carrier represented by arrows in the sense of a series connection of the three Ensures steam generator elements. The flow of the primary

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Wärmeträgers ist aus den Pfeilen in den Figuren 18 und 20 zu entnehmen. Dieser strömt horizontal nach außen durch die Elemente 53 und 52, kehrt gemäß Pfeil an der Wand 56 um und durchströmt den Vorwärmer 51, diesmal von außen nach innen. In den in der Grundrißzeichnung erkennbaren dreieckigen Räumen 57 strömt der primäre Wärmeträger dann nach oben, wo er durch die Pumpen 4 zwischen der Leitwand 56 und der Kesselinnenwand nach unten bis unter den Reaktorkern bewegt wird. In diesem Pail ist es notwendig, die Elemente 52 una 53 mit Seitenleitblechen für den primären Wärmeträger zu versehen, damit auch der Vorwärmer gleichmäßig umströmt wird.The heat transfer medium is indicated by the arrows in FIGS. 18 and 20 refer to. This flows horizontally outward through the elements 53 and 52, reverses according to the arrow on the wall 56 and flows through the preheater 51, this time from the outside to the inside. In the triangular rooms recognizable in the floor plan 57 the primary heat transfer medium then flows up to where it is by the pumps 4 between the guide wall 56 and the inside wall of the boiler is moved down to under the reactor core. In this package it is necessary to have the elements 52 and 53 with Provide side baffles for the primary heat transfer medium so that the flow around the preheater is even.

Figur 21 zeigt schließlich eine weitere Einzelheit der Dampferzeugerelemente. Im Bereich geringer Strömungsgeschwindigkeit des sekundären Wärmeträgers, also etwa am Beginn der Verdampferzone, ist es zweckmäßig, die Geschwindigkeit zu erhöhen und damit eine stabilisierende Wirkung zu erzielen. Dies wird erreicht durch den Einsatz 61, der in die Verdampferrohre 6 gesteckt wird. Diese Drosseln verengen die Strömung des sekundären Wärmeträgers und zwingen diesen damit zu höheren Geschwindigkeiten. Sie erstrecken sich dabei zweckmäßigerweise nur in einem Teil der Länge der Verdampferrohre 6 und können gleichzeitig mit ihren Köpfen als Abstützung der Wandung 13 der Sammelräume 8 dienen.■Finally, FIG. 21 shows a further detail of the steam generator elements. In the area of the low flow velocity of the secondary heat transfer medium, i.e. at the beginning of the evaporator zone, it is advisable to increase the speed and thus achieve a stabilizing effect. this will achieved through the insert 61, which is inserted into the evaporator tubes 6 is plugged. These throttles narrow the flow of the secondary heat carrier and thus force it to run at higher speeds. They expediently only extend over part of the length of the evaporator tubes 6 and can serve at the same time with their heads as a support for the wall 13 of the collecting spaces 8. ■

Diese nur schematisch dargestellten Anordnungen von Wärmetauschern in integrierten Kernreaktoren erheben keinen AnspruchThese only schematically shown arrangements of heat exchangers in integrated nuclear reactors make no claim

9 0 988 3 70% 8 ,9 0 988 3 70% 8.

, ?i BAD ORtGiNAL, ? i BAD ORtGiNAL

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auf Maßstäblichkeit. Vor allem kann auch der Abstand zwischen den Dampferzeugern und dem eigentlichen Reaktorkern größer sein, wenn ein Auswechseln der Brennelemente mit Hilfe einer .Lademaschine ohne vorherigen Ausbau der Dampferzeugerelemente stattfinden soll.on scale. Above all, the distance between the steam generator and the actual reactor core can also be larger be when replacing the fuel assemblies with the aid of a loading machine without removing the steam generator elements beforehand to be held.

10 Patentansprüche
21 Figuren
10 claims
21 figures

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90988 3/079890988 3/0798

SADSAD

Claims (1)

)6/iO66) 6 / iO66 PatentansprücheClaims H Im Inneren von Kernreaktordruckgefäßen untergebrachter Dampferzeuger, der aus einer Vielzahl von- Einzelelementen mit jeweils eigenen Sekundäranschlüssen besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeübertragenden Flächen aus geraden Rohren oder Platten ohne ein eigenes Gehäuse zwischen Sammelräumen für den sekundären Wärmeträger angeordnet sind und die Strömungsrichtung des primären Wärmeträgers im wesentlichen senkrecht zu derjenigen des sekundären verläuft.H Steam generator housed inside nuclear reactor pressure vessels, which consists of a large number of individual elements, each with its own secondary connections, characterized in that that the heat-transferring surfaces of straight tubes or plates without their own housing between collecting spaces for the secondary heat carrier are arranged and the direction of flow of the primary heat carrier is substantially perpendicular to that of the secondary runs. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet f- daß er in seiner Gesamtheit von im wesentlichen" ringzylindrischer Gestalt ist, wobei die Einzelelemente mit zur Reaktorachse parallelen Wärmetauscherflächen radial und/oder konzentrisch angeordnet sein können und der gegenseitige Abstand der wärmetauschenden Flächen in der Größenordnung von etwa 2 mm liegt.Steam generator according to claim 1, characterized in that f - that it is in its entirety substantially "ring-cylindrical shape, wherein the individual elements may be arranged parallel to the reactor axis heat exchanger surfaces radially and / or concentrically and the mutual distance of the heat exchanging surfaces in the order of about 2 mm. 3. Dampferzeuger nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der freie Innenraum des ringzylinarischen Dampferzeugers für die Einführung und Bewegung einer Lademaschine bemessen ist.3. Steam generator according to claim 1 and 2, characterized in that that the free interior of the ring cylindrical steam generator is dimensioned for the introduction and movement of a loading machine. 4. Dampferzeuger nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundäranschlüsse der Einzelelemente als konzentrische Durchführungen die Druckbehälterwand durchsetzen.4. Steam generator according to claim 1 to 3, characterized in that that the secondary connections of the individual elements as concentric Passages through the pressure vessel wall. 3 8-31/^0^7 9 8 Mü/Fra3 8-31 / ^ 0 ^ 7 9 8 Mü / Fra BAD LBATH L 5. Dampferzeuger nach Anspruch 1 bis 3f dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundäran-schlüsse der Einzelelemente durch einen eingesetzten Ring zwischen dem eigentlichen Behälter und seinem Deckel abdichtend hindurchführen und außerhalb des Behälters in Sammelleitungen einmünden, und daß die Einzelelemente in ihrer Gesamtheit mit diesem Ring aus dem Behälter nach Abnahme des Deckels herausnehmbar sind.5. Steam generator according to claim 1 to 3 f, characterized in that the secondary connections of the individual elements pass sealingly through an inserted ring between the actual container and its cover and open into manifolds outside the container, and that the individual elements in their entirety with this ring can be removed from the container after removing the lid. 6. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente mit Hilfe von auch im Reaktorbehälter eingebauten Leiteinrichtungen vom primären Wärmeträger quer durchströmt sina.6. Steam generator according to claim 1, characterized in that the individual elements with the help of also built into the reactor vessel Sina flows through control devices from the primary heat transfer medium. 7. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ober- und unterhalb der wärmetauschenden Flächen der Einzel- ■ elemente vorgesehenen oammelräume durch eingebaute otützkörper oder -bleche gegen Außendruck druckfest gemacht sind.7. Steam generator according to claim 1, characterized in that the Above and below the heat-exchanging surfaces of the individual elements, ■ storage spaces provided by built-in support bodies or sheets are made pressure-resistant against external pressure. 8. Dampferzeuger nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmetauschenden Flächen aus dicht nebeneinander angeordneten geraden Rohren bestehen.8. Steam generator according to claim 1 to 7, characterized in that that the heat-exchanging surfaces consist of straight tubes arranged close together. 9. Dampferzeuger nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmetauschenden Flächen aus gegeneinander abgestützten Blechtaschen bestehen, die auch in ihrem Inneren Abstützelemente enthalten.9. Steam generator according to claim 1 to 7, characterized in that that the heat-exchanging surfaces consist of mutually supported metal pockets, which are also inside Support elements included. - 18 - ^n _ Mü/Fra- 18 - ^ n _ Mü / Fra 909883/0798909883/0798 10. Dampferzeuger nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelelemente vorzugsweise in radialer Richtung strömungsmäßig so hintereinander geschaltet sind, daß sie In der Reihenfolge von außen nach innen als Vorwärmer, Verdampfer und Überhitzer wirken.10. Steam generator according to claim 1 to 9, characterized in that that the individual elements are preferably flow-wise in the radial direction are connected in series so that they are in the order from the outside to the inside as a preheater, evaporator and superheaters work. - 19 - Mü/FrE- 19 - Mü / FrE 909883/0798909883/0798 BAD ORIGINALBATH ORIGINAL L e e r s e i t eL e r s e i t e
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