DE1551050A1

DE1551050A1 - Dampferzeuger,insbesondere fuer Druckwasserkernreaktoren

Info

Publication number: DE1551050A1
Application number: DE19671551050
Authority: DE
Inventors: Schabert Dipl-Ing Hans-Peter; Horst Michael
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1967-03-25
Filing date: 1967-03-25
Publication date: 1970-02-05
Also published as: FR1560768A; GB1188602A; US3603383A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT

Erlangen, den

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Werner-von-Siemens-Str.50

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Dampferzeuger, insbesondere für Druckwasaerkernrea/coren

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Bei Kernreaktoren stellen die Dampferzeuger sehr große Bauele mente dar, die hinsichtlich ihrer Herstellbarkeit und Transportierbarkeit oftmals bereits an der Grenze des Möglichen angelangt sirri. Dies gut insbesondere auch für überhitzende Dampferzeuger bei Druckwasserkernreaktoren, die wegen ihres großen Mehrbedarfs an heizflache im Vergleich zu Sattdampferzeugern sehr teuer

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werden und bei einer wünschenswerten Leistungagröße von 200 bis 300 MWe für Bahntransporte zu schwer sind. Bei der Herstellung ergeben sich' vor allem wegen der großen Rohrplatten technische-Schwierigkeiten, die oftmals auch sehr unangenehme Lieferte rminverzögerungen mit sich bringen. Im Falle eines Rohrbruches belastet der große Sekundärwasserinhalt derartig großer Wärmetauscher das Reaktorgebäude mit einem zusätzlichen Innendruck. Wird im Interesse einer kompakteren Bauweise die Sekundärströmung im Inneren der Wärmetauscherrohre geführt, so liefert ein Teil der Rohre zu nassen Dampf, so daß die erzielbare Gesamtüberhitzung klein wird.

.Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Dampferzeuger, insbesondere für Druckwasserkernreaktoren, im wesentlichen bestehend aus einem in einem langgestreckten Druckkessel befindlicnen, an Rohrplatten angeschlossenen Bündel gerader Wärmetauscherrohre und hat sich die Aufgabe gestellt, die den bisherigen Konstruktionen anhaftenden Nachteile, hinsichtlich der Herstellbarkeit, der Transportierbarkeit sowie der Gestehungskosten ganz wesentlich zu verringern. Erfindung3gemäß beträgt der Abstand der Wärmetauscherrohre nur Bruchteile ihres Durchmessers und sind diese Durchmesser bereits vor dem Eingriff der Rohre in die Rohrplatten über eine Länge von einigen Dezimetern verkleinert. Dadurch wird die Strömungsgeschwindigkeit des verdampfenden Sekundärwassers zwischen den Rohren stark erhöht und ea entsteht ein guter Wärmeübergang auch in den Heizflächenbereichen, die infolge abnehmender Dampffeuchte nicht mehr benetzt 3 in.d.

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Anhand der Figuren 1 bis 4, in denen ein mögliches Konstruktionsbeispiel für einen derartigen Dampferzeuger dargestellt ist, seien nun die wesentlichsten Kennzeichen der vorliegenden Erfindung näher beschrieben und erläutert. Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein derartiges Gerät, Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung eine« Wärmetauscherrohres, zusammen mit den zugehörigen beidseitigen Rohrboden, Fig. 3 zeigt eine Draufsicht auf eine Anzahl derartiger Wärmetauscherrohre mit darauf angebrachten • Abstandshaltern. Fig. 4 zeigt schließlich eitie ähnliche Draufsicht, wobei ,iedoeh Abstandshalter in den Zwischenräumen der einzelnen Rohre in Form von verdrillten Blechstegen Verwendung finden".

In Fifur 1 ist der zylindrische Teil des Druckkes3els mit 1 und die beiden erweiterten Enden denselben mit 11 und 12 bezeichnet. Im Inneren de;* Druckkessels befinden sich die Wärmetauscherrohre in sehr dichter■ raekunr: (mit beispielsweise 22 mm Rohrteilung bei einem Rohraußer.iurchniesser von 20 mm) und sind an-beiden Enden in an sich bekannter Weise .in sogenannte Rohrplatten eingewalzt. Hie führe?) alloriinirs nicht in ihrer ursprünglichen Stärke bis zu diesen Rohrplatten, sondern sind bereits einige Dezimeter vor diesen in: Durchmesser verkleinert, so darf damit erstens das Bohren der Rohrboden und da-s spätere Einwalzen der Rohre und außerdem die Zu--und, Abströmung des sekundären Kühlmittels quer zu den Rohren kurz; vor den Rohrboden erleichtert wird. Diesem Zweck dient auch die Erweiterung des Druckkessels an beiden Enden.

Am-unteren Eni.e is-t ier Rohrboden 21 starr mit dem Druckkessel r verbunden. Am oberen Ende des geraden Rohrbündels ist der ent-

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sprechende Rohrboden 22 fliegend gelagert und mit Hilfe einer Kalotte 23, die den Verteilerraum 24 für den primären Wärmeträger umschließt, mit der Zuführungsleitung 31 verbunden, die außerhalb' » des Dampferzeugers nochmals mechanisch in an sich bekannter Weise abgefangen ist, damit Dehnungabewegungen der Zuführungsleitung kein Biegemoment auf das Wärmetauacherrohrbündel 2 Übertragen können. Gegenüber dem Druckkesselteil 12 ist der schwimmende Rohr« boden 22 mit der Zuführungsleitung 31 - letztere durchsetzt den Druckkessel im Schiebesitz - mit Hilfe eines Faltenbalges 33 oder einer Stopfbüchse abgedichtet. Durch diese Konstruktion wird es ermöglicht, daß die Wärmetauscherrohre lediglich auf Zug beansprucht werden und somit praktisch keine Verwerfungen derselben vorkommen können.

Die schmalen Zwischenräume zwischen den einzelnen Rohren bewirken einen besonders guten Wärmeübergang zu dem rasch strömenden sekun- · dären Wärmeträger, der im Gegenstrom den Wärmetauscher durchsetzt. Der sekundäre Wärmeträger 4 strömt über Zuführungsstutzen 41 in der Nähe des Rohrbodens 21 in den Druckkessel ein und verläßt diesen durch die Öffnung 42. Der Austritt des primären Wärmeträgers dagegen befindet sich auf der Eintrittsseite des sekundären Wärmeträgers 4.

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Aus Figur 2, die ein einzelnes Wärmetauscherrohr darstellt* Ist dessen Verbindung mit den beiden Rohrböden 22 und 21 zu ersehen·* Auf den Längen A bzw. B sind diese Wärmetauscherrohre !■ Durch-, messer etwas herabgesetzt, beispielsweise also von etwa 20 na auf 17 mm bei gleichbleibender Wandstärke. Zur Abstandshalterung

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• der einzelnen Wärmetauscherrohre 2 sind diese beispielsweise mit einem Draht 25 schraubenförmig umwickelt, so daß zwischen den einzelnen Wärmetauscherrohren 2, siehe auch Figur 3, gleichmäßige Abstände erzwungen werden. Gleichzeitig sorgen diese Abstandshalter für eine gute Durchwirbelung der Strömung des sekundären Wärmeträgers 4. Selbstverständlich können für diesen Zweck auch andere Arten von Abstandshaltern Verwendung finden, wie sie z.B. von der Technik der Kernreaktorbrennelemente her bekannt sind. Eine weitere spezielle Form ist in der Figur 4 dargestellt. Hier besteht der Abstandshalter aus einem geraden in sich verdrillten Blechsteg, der in die Zwischenräume zwischen den Wärmetauscherrohren eingelegt ist. Auch hierdurch wird eine einwandfreie Abstandshalterung bei gleichzeitiger Durchwirbelung des sekundären Wärmeträgers 4 erreicht. Eine weitere Möglichkeit bilden abs tandshaltende Rundstäbe zwischen den Rohren, die mit Wendelnuten versehen sind, wo'bei diese Nuten im Vorwärmebereich ganz oder teilweise weggelassen sind, damit dort die Strömungsgeschwindigkeit erhöht und der "Wärmeübergang verbessert wird.

Zur besseren Vorstellung über die räumliche Größe eines derartigen Dampferzeugers sei erwähnt, daß ein Kernkraftwerk mit einer Ausgangsleistung von 600 MWe nur zwei derartige Dampferzeuger • oenötigt, die etwa eine Länge von 25 m haben. Die wirksame Länge der Rohre beträgt dabei etwa 19m, ihr Durchmesser etwa 20 ram und ihre Wandstärke etwa 1 ram. Die Zahl der Wärmetauscherrohre liegt etwa bei 7500, der Außendurchmesser des Dampferzeugers im . zylindrischen Teil bei etwa 2,2 m. Das Transportgewicht eines derartigen Dampferzeugers beträgt etwa 220 t, beide zusammen also

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440 t. Herkömmliche Dampferzeuger dieser Leistung liegen dagegen in der Größenordnung von 600 t»

Hinsichtlich der Herstellung der Wärmetauscherrohre sei erwähnt, daß diese z.B. durch Pilgern oder Rundhämmern von 20 auf 17 mm Durchmesser herabgesetzt werden können. Die möglicherweise schon vorhandene Kaltverfestigung der Rohre wird dadurch-um etwa 12 # erhöht. Vor dem Einschweißen im Rohrboden werden die verjüngten Rohre eingewalzt und dabei ein drittes Mal kaltverfestigt. Sollte die Gesamtverformung hierdurch zu hoch werden, dann hat man es in der Hand, vor diesem letzten Walzvorgang die Rohrenden im Walzbereich weichzuglühen. In Anbetracht der zusätzlichen Länge des im Durchmesser herabgesetzten Rohrteiles braucht nicht befürchtet zu werden, daß die durch den Innendruck stärker beanspruchte Rohrlänge mit den ursprünglichen Durchmesser von 20 mm dabei stark erwärmt wird und in ihrer Festigkeit leidet.

Erwähnt sei noch, daß in an sich bekannter Weise die Rohrplatten durch Blechlagen 43 gegenüber dem unterkühlten Speisewasser 4 wärmeisoliert werden. Mannlöcher dienen zum Besichtigen der unteren Rohrplatte sowie des Balges. Die obere Rohrplatte kann durch ein nicht dargestelltes Mannloch im nicht dargestellten T-Stück oder im Krümmer der Primär-Rohrleitung erreicht werden.

Die für die Abstandshaltung zwischen den Rohren vorgesehenen durch Punktschweißung befestigten Drähte haben eine große Steigung, z.B. 400 mm, und sorgen für eine gute Durchmischung auf der Dampfsei te. Ein zusätzlicher Druckverlust ist kaum damit verbunden.

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Die Wendeln werden mit knappem Spiel eingesetzt, so daß sich _β im Betrieb infolge der etwas größeren Wärmedehnung der Wärmetauscherrohre, verglichen mit dem Behältermantel, eine leichte radiale Verapannung ergibt. Durch geeignete Drehorientierung der Wendeln, läßt sich dabei ein weiches Durchfedern der Rohre infolge Biegung quer zur Achse erzielen, so daß Vibrationen ausgeschaltet werden, und trotzdem nur. schwache seitliche Reibkräfte bei Längsverschiebungen entstehen können*

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die dargestellte spezielle Gestaltung der druckführenden Formteile an den Enden des Dampferzeugers beschränkt. Anstelle des schwimmenden Rohrbodens kann auch ein fest eingeschweißter angewendet werden, wenn die relative Wärmedehnung zwischen Rohren und Mantel sorgfältig kontrolliert wird, beispielsweise durch Wahl einer Werkstoffpaarung mit geeigneten Wärmeausdehnungskoeffizienten, oder durch Anhebung der Manteltemperatür. Dieses Ziel kann erreicht werden, indem man den erzeugten überhitzten Dampf unterhalb der Rohrplatte 22 am Außenumfang sammelt und in einen Ringraum zwischen Rohrbündel und Mantel wieder nach unten führt, wobei dieser Ringraum vom Rohrbündel'durch eine wärmeisolierende Trennwand getrennt ist. Der Dampfaustritt befindet sich in diesem Falle in der unteren Hälfte des zylindrischen Mantels.

Abschließend sei erwähnt, daß allein dank der besonderen Formgebung des Wärmetauschers und, durch die kompakte Heizflächenanordnung wesentlich geringere Herstellungskosten gegenüber dem bekannten Stand der Technik erforderlich sind. Hierdurch entsteht

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ein wirtschaftlicher Anreiz, -den sekundärseitigen Dampfdruck bei Druckwasserreaktoren auf 60 bis 70 ata und damit den Gesamtwlrkungsgrad des Kernkraftwerkes zu erhöhen. Hinzu kommt, daß dann wegen der besseren Temperaturkonstanz des Primärkühfmittels bei ^ Teillast das Volumen des Druckhalters kleiner gehalten werden kann und somit indirekt eine weitere Kostenersparnis mit dieser neuartigen Dampferzeugerkonstruktion verbunden ist.

S Patentansprüche
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Claims

PLA bY/1176 Patentansprüche

1. Dampferzeuger, insbesondere für Druckwasserkernreaktoren, im wesentlichen bestehend aus einem in einem langgestreckten Druckkessel befindlichen, an Rohrplatten angeschlossenen Bündel von Wärmetauscherrohren, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Wärmetauscherrohre nur Bruchteile ihres Durchmessers beträgt und diese Durchmesser vor dem Eintritt der Rohre in die Rohrplatten über eine Länge von einigen Dei,', me tern verkleinert, sind.

2. Ltampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dor eine Rohrboden schwimmend im Druckkessel angeordnet ist.

5. dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckkessel in der Höhe der Rohrboden im Durchmesser erweitert und die Primär- sowie Sekundäranschlüsse zusammen mit evtl. benötigten Mantellöchern an diesen Erweiterungen vorgesehen sind.

4. Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre durch aufgeschweißte sehräubenförmigo Stegs bzw. sonstige aus der Technik der Brennelemente her bekannte Bauelemente auf Abstand gehalten sind.

^.Dampferzeuger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherrohre durch in ihren Zwischenräumen angeordnete lange verdrillte Blechstege auf Abstand gehalten

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