DE1551444A1 - Waermetauscher - Google Patents

Description

Patentsnwälte

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Dipl.-Ing. Lomprecht

München 22, Stel.iidoffetr. 10 -ICC-I///

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3.5.190

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Commissariat d 1 »Energie Atomique, Paris (Frankreich)

Wärmetauscher

Die Erfindung hat einen ¥ärmetauscher zum Gegenstand, der zur Ermöglichung eines Wärmeaustausche zwischen zwei in gefahrbringender Weise miteinander reagierenden Flüssigkeiten gedacht und insbesondere zur Verdampfung von Wasser durch Wärmeaustausch mit einem flüssigen Metall, wie beispielsweise Hatrium, bestimmt ist.

Bei Kernkraftwerken wird im allgemeinen und insbesondere dann, wenn der Reaktor zu dem mit schnellen. "Neutronen arbeitenden Typen gehört, der Dampferzeuger mit flüssigem Natrium beheizt, welches das sekundäre Kühlmittel des Reaktors darstellt. Bekanntlich wirft jedoch der Wärmeaustausch zwischen flüssigem Natrium und Wasser komplizierte Sicherheitsprobleme auf. Praktisch ist es erforderlich, jeglichen Kontakt zwischen den beiden Flüssigkeiten auszuschalten, da sie mit Heftigkeit miteinander reagieren würden.

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Zur Herstellung von solchen Dampferzeugern benutzt man mitunter doppelwandige Austauscherrohre, gegebenenfalls mit einem Umlauf eines zwischengeschalteten Strömungsmediums, das die Erkennung von Rohrbrüchen gestattet. Derartige komplizierte Anlagen sind jedoch äußerst kostspielig. Daher zieht man heute einwandige Wärmetauscher wegen ihrer größeren Wirtschaftlichkeit vor, bei denen ein erstes an dem Wärmeaustausch beteiligtes Strömungsmedium,im allgemeinen das Natrium, im Innern von parallel zueinander mit Eingangs- und Ausgangssammlern für das Natrium verbundenen rohrförmigen Hüllen umläuft, wobei jede dieser rohrförmigen Hüllen eine Mehrzahl von Umlaufrohren für das zweite am Wärmeaustausch beteiligte Strömungsmedium enthält, das im allgemeinen aus Wasser besteht, welche Umlaufrohre an beiden Enden parallel zueinander mit Eingangs- und Ausgangssammlern für das Wasser verbunden sind.

Bei diesen einwandigen Wärmetauschern ist es erforderlich, in geeigneter Weise die Qualität der verwendeten Rohre und der Schweißverbindungen zwischen den Rohren zu kontrollieren. Außerdem muß man, falls ungeachtet dieser Vorsichtsmaßregeln ein Austritt von Wasser stattgefunden hat, das fehlerhafte Rohr leicht isolieren können, um die Zeit für die Stillegung des Wärmetauschers soweit wie möglich zu verkürzen. Diese Notwendigkeit einer raschen Wiederinbetriebnahme ist insbesondere bei Kernenergieanlagen gegeben, denn bei diesen wird die Stillegung des Wärmetauschers besonders kostspielig.

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In gleicher Weise ist es erforderlich, jede aus einer rohrförmigen Hülle und den zugehörigen Wasserrohren gebildete Baueinheit in dem Falle leicht isolieren und ersetzen zu können, in dem die als Folge des Bruches eines Wasserrohres aufgetretene Reaktion die benachbarten Rohre beschädigt hat.

Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, diese verschiedenen Forderungen besser als die bisher bekannten Einrichtungen zu erfüllen. In gleicher Weise hat sie die Iiösung der Probleme zum Ziel, die sich durch die unterschiedliche Ausdehnung der verschiedenen Rohre und Sammler ergeben, wobei gleichzeitig der Einsatz von Rohren großer länge auf begrenztem Raum möglich sein soll.

Erfindungsgemäß wird zu diesem Zwecke ein Wärmetauscher vorgeschlagen, der insbesondere zur Verdampfung von Wasser durch Wärmeaustausch mit einem flüssigen Metall, wie beispielsweise Natrium, bestimmt ist und sich im wesentlichen dadurch kennzeichnet, daß' er eine Mehrzahl von rohrförmigen Hüllen besitzt, die in zueinander parallelen Ebenen angeordnet sind und jeweils geradlinige Teile aufweisen, die durch gekrümmte Teile zu ebenen Schlangen verbunden und parallel zueinander an Eingangs- und Ausgangssammler für ein erstes am Wärmeaustausch beteiligtes Strömungsmittel, wie beispielsweise das Natrium, angeschlossen sind, die im wesentlichen in der Mittelebene der geradlinigen Teile liegen, wobei jede der rohrförmigen Hüllen eine Mehrzahl von Umlaufrohren für ein

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zweites am Wärmeaustausch beteiligtes Strömungsmedium, wie beispielsweise Wasser, enthält, deren lünden parallel zueinander an Eingangs- und Ausgangssammler für dieses zweite Strömungsmittel angeschlossen sind.

Diese Anordnung der Sammler in der Mittelebene der ebenen Schlangen gestattet eine automatische Kompensation der unterschiedlichen Ausdehnungen der Rohre, der rohrförmigen Hüllen und der Sammler.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Wärmetauschers, die einen Verzicht auf die Verwendung von rohrförmigen Platten am Ausgang der rohrförmigen Hüllen und eine leichte Isolierung jedes Umlaufrohres für das zweite am Wärmeaustausch beteiligte Strömungsmittel gestattet, durchqueren die Umlaufrohre für das zweite Strömungsmedium die Wandung der zugehörigen rohrförmigen Hülle einzeln, bevor sie mit den Sammlern verbunden werden. Zur Erleichterung des Umlaufs des ersten am Wärmeaustausch beteiligten Strömungsmittels ist es dann von besonderem Vorteil, den Ausgang der Umlaufrohre für das zweite am Wärmeaustausch beteiligte Strömungsmittel an der Seitenwand der rohrförmigen Hülle vorzusehen, deren Ende auf diese Weise unmittelbar mit dem zugehörigen Sammler verbunden werden kann.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Pig. 1 bis 5 eine besondere Ausführungsform für einen erfindungsgemäßen

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Wärmetauscher näher "beschrieben. Diese Beschreibung ist jedoch nur als Beispiel zu verstehen und hat keinerlei einschränkenden Charakter für die Erfindung. Gie bezieht sich auf einen Wasserdampferzeuger, der durch flüssiges Natrium beheizt wird.

Me Fig. 1 stellt einen Längsschnitt durch den beschriebenen Dampferzeuger dar;

"Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht des Dampferzeugers nach Mg. 1;

Pig. 3 veranschaulicht eine erste Ausführungsform für den Einbau der Wasserrohre im Innern der rohrförmigen Hülle, in der das Natrium umläuft;

Pig. 4 veranschaulicht eine zweite Ausführungsform für diesen Einbau, die sich statt der in Pig. 3 dargestellten Konstruktion verwenden läßt;

Pig. 5 schließlich zeigt im einzelnen die Durchführung der Wasserrohre durch die rohrförmige Hülle nach außen.

Der beschriebene Dampferzeuger verwendet als Heizflüssigkeit flüssiges Natrium, welches das sekundäre Kühlmittel eines Kernreaktors mit schnellen Neutronen darstellt. Dieses sekundäre Kühlmittel seinerseits wird durch Wärmeaustausch mit dem Hauptkühlmittel des Reaktors aufgeheizt, das ebenfalls aus flüssigem Natrium besteht. Der Dampferzeuger wird mit Wasser gespeist, das nacheinander durch Wärmeaustausch mit dem

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flüssigen natrium, das im Gegenstrom zu dem Wasser oder dem Dampf umläuft, vorgewärmt, verdampft und schließlich überhitzt wird. Der Dampferzeuger besteht aus einer großen Anzahl von Baueinheiten, die einander sämtlich gleichen und jeweils entweder einen Vorwärmer und Verdampfer oder einen Überhitzer bilden. Diese Baueinheiten sind, wie dies beispielsweise in den Pig. 1 und 2 zu erkennen ist, mit den zugehörigen Sammlern zu mehreren verschiedenen Blöcken zusammengefaßt, die jeweils Armaturen enthalten, die eine Isolierung sowohl auf Seiten des Natriums als auch auf Seiten des Wassers ermöglichen. Außerdem kann der Dampferzeuger einen oder mehrere Zwischenüberhitzer aufweisen, die ebenfalls aus ähnlichen Baueinheiten wie den oben beschriebenen aufgebaut sind.

Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Block besitzt mehrere (in den Pig.14) als Vorwärmer und Verdampfer wirkende Baueinheiten 1 in seiner unteren Hälfte 2 und ebensoviele als Überhitzer wirkende Baueinheiten 5 in seiner oberen Hälfte Diese Baueinheiten sind ebenso wie die mit ihnen verbundenen Sammler in einem Behälter 5 untergebracht, dessen Wände mit einer Wärmedämmung 6 hinterlegt sind.

Jede Baueinheit 1 oder 3 besteht aus einer rohrförmigen Hülle 7, in der das Natrium umläuft und die Umlaufrohre 8 für das Wasser(siehe Pig.5) enthält. Jede der rohrförmigen Hüllen 7 weist die Porm einer in einer vertikalen Ebene zu

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ein.em doppelten S gekrümmten Schlange auf. Ihre beiden Enden sind mit Sammlern für das flüssige Natrium verbunden, die für die als Vorwärmer und Verdampfer dienenden Baueinheiten mit 10 und 11 und für die als Überhitzer wirkenden Baueinheiten mit 12 und 13 bezeichnet sind. Diese vier Sammler sind horizontal angeordnet und liegen in der gleichen zu der durch die Schlangen definierten Ebene senkrechten Vertikalebene im mittleren Bereich der Schlangen.

Mit anderen Worten weist jede rohrförmige Hülle 7 fünf geradlinige im wesentlichen horizontal verlaufende Teile auf, die über um 180° abgebogene Teile miteinander verbunden sind, die abwechselnd in der Nähe einander gegenüberliegender Seitenwände des wärmeisolierten Behälters 5 liegen. Die beiden äußersten geradlinigen Teile sind in ihrer länge verkürzt und erstrecken sich nur von einer der Seitenwände des Behälters 5 bis zu dem entsprechenden Sammler, in den sie seitlich eingeführt sind.

Zur Erleichterung der Verbindung zwischen den rohrförmigen Hüllen und den Sammlern für das Natrium und zur Erzielung eines sehr kompakten Aufbaues sind benachbarte rohrförmige Hüllen umgekehrt zueinander angeordnet, und ihre Enden werden abwechselnd auf der einen oder auf der anderen, von zwei einander diametral gegenüberliegenden Erzeugenden mit den Sammlern verbunden. Eine solche abwechselnde Anordnung der rohrförmigen

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Hüllen erleichtert es gleichfalls, eine von ihnen zum Zwecke ihrer Reparatur zurückzuziehen.

Im Innern jeder der rohrförmigen Hüllen 7 sind sieben Wasserrohre 8 sämtlich parallel zu der rohrförmigen Hülle angeordnet. Die Wasserrohre 8 werden durch Zwischenstücke an Ort und Stelle gehalten, wie sie beispielsweise in der Jig.3 dargestellt sind, die bei völliger Aufrechterhaltung ihres gegenseitigen Abstandes und bei Verhinderung etwaiger Vibrationen unter dem Einfluß der durchströmenden Flüssigkeit eine Längenänderung der Wasserrohre gegenüber den rohrförmigen Hüllen zulassen.

In Pig.3 bestehen die Zwischenstücke aus einem Aufbau aus miteinander verschweißten ebenen Blechen 14 und sind mit Rippen 15 versehen, die zur Erzielung einer guten Durchmischung des die rohrförmige Hülle durchströmenden Natriums zwecks Ausschaltung jeglicher Schichtenbildung bestimmt sind. Als Alternative kann man, wie in Fig. 4, zu Schlingen gebogene Stahldrähte 16 verwenden, welche die verschiedenen Rohre miteinander verbinden. Diese Drähte weisen jedoch gegenüber der oben beschriebenen Lösung insofern einen Fachteil auf, als sie relativ stark sein müssen, was den Durchtrittsquerschnitt für das Natrium verringert.

Die sieben Wasserrohre 8 durchqueren, wie dies in den Pig.1 bis 5 gezeigt ist, die sie umgebende rohrförmige Hülle

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in der Nähe von deren 33n.deη abgedichtet und einzeln. Dieser individuelle Austritt der Wasserrohre gestattet es, auf die Verwendung von Rohrplatten zu verzichten, die dick genug sein müßten, um dem Druck des Natriums standzuhalten. Außerdem kann die rohrförrnige Hülle deswegen, weil die Wasserrohre sie seitlich durchqueren, an ihrem Ende unmittelbar mit dem Sammler für das Natrium verbunden werden, was den Umlauf des Natriums erleichtert.

Nach Durchquerung der rohrförmigen Hülle 7 münden die Rohre 8 in Zwischensammler für das Wasser oder den Dampf. Am Eingang der als Vorwärmer und Verdampfer wirkenden Baueinheiten (im unteren Teil 4 des Behälters 5) stehen die Zwischensammler mit einem Sammler 19 zur Einspeisung von Wasser in Verbindung. Am Ausgang der gleichen Baueinheiten speist jeder Zwischensammler 20 für den Dampf unmittelbar die Rohre 8 einer als Überhitzer wirkenden Baueinheit 3. Am Ausgang der letzteren Einheit schließlieh ist der Zwischensammler 21 für den überhitzten Dampf mit einem Sammler 22 verbunden, der den gesamten von dem ganzen Block erzeugten überhitzten Dampf aufnimmt. Der Wassersammler 19 und der Sammler 22 für den überhitzten Dampf liegen in gleicher Weise wie die Sammler für das Natrium in der Mittelebene der Baueinheiten 1 und 3.

Der Umlauf der beiden Flüssigkeiten erfolgt planmäßig. Das heiße Natrium wird durch den Speisesammler 13 auf die rohrförmigen Hüllen 7 der als Überhitzer wirkenden Bauein-

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heiten 3 verteilt, lach Durchlaufen dieser Baueinheiten von oben nach unten verläßt das Natrium die obere Hälfte 2 des Behälters 5 über den Sammler 12, der über ein Knie 23 außerhalb des Behälters 5 mit dem Speisesammler 11 für die als Vorwärmer und Verdampfer wirkenden Baueinheiten 1 verbunden ist. Nach Durchlaufen der letzteren im Innern der rohrförmigen Hüllen 7 verläßt das Natrium den Block durch den Sammler 10 für das kalte Natrium.

Die Anordnung der verschiedenen Sammler für Wasser oder Dampf einerseits und für Natrium andererseits, die gegenüber dem aus den die liOrm ebener Schlangen aufweisenden Baueinheiten zusammengesetzten Gesamtaufbau eine zentrale lage einnehmen, gestattet eine automatische Kompensation unterschiedlicher Ausdehnungen einerseits zwischen jeder rohrförmigen Hülle und den darin enthaltenen Wasserrohren und andererseits zwischen jedem Zv/ischensammler für Wasser oder Dampf oder jeder rohrförmigen Hülle und den zugehörigen Sammlern.

Die verschiedenen, rohrförmigen Hüllen sind ebenso wie die Sammler an der oberen Wand des wärmeisolierten Behälters 5 mit Hilfe von in der Zeichnung nicht dargestellten Zugstäben aufgehängt. Eine solche Anordnung gestattet die Lösung der Probleme, die sich aus unterschiedlichen Ausdehnungen zwischen den Sammlern oder den rohrförmigen Hüllen und dem wärmeisolierten Behälter einerseits und zwischen den auf verschiedenen !Temperaturen liegenden Sammlern andererseits ergeben.

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■Außer der Kompensation der unterschiedlichen Ausdehnungen, die eine Ausschaltung von Spannungen ermöglicht, bietet der oben beschriebene Wärmetauscher den Torteil, daß sich ein einzelnes Wasserrohr leicht isolieren läßt, wenn ein Bruch festgestellt worden ist. Es genügt dazu, dieses Rohr abzutrennen und zu isolieren, das zwischen dem Zwischensammler und der zugehörigen rohrförmigen Hülle leicht zugänglich ist, und der Dampferzeuger kann wieder in Betrieb genommen werden. Außerdem ermöglicht die beschriebene Anordnung die Ausschaltung aller mit thermischen Schocks verbundenen Probleme j da die Wandstärke der verschiedenen metallischen Gebilde stets hinreichend klein bleibt.

Ist ein stärkerer Bruch aufgetreten und hat dieser Beschädigungen an benachbarten Wasserrohren hervorgerufen, so ist es erforderlich, die entsprechende Baueinheit als Ganzes durch ein neues Element zu ersetzen. Auch dieser Austausch kann bei dem beschriebenen Wärmetauscher leicht vorgenommen werden, da die versetzte Anordnung der rohrförmigen Hüllen es ohne Schwierigkeit gestattet, sie einzeln aus dem wärmeisolierten Behälter 6 herauszunehmen.

Selbstverständlich ist die Erfindung in keiner Weise auf

die oben beispielshalber beschriebene Ausführungsform be-

auch schränkt, sie erstreckt sich vielmehr/auf alle Abwandlungen,

die im Rahmen mechanischer Äquivalente verbleiben.

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Claims (3)

1. Patentansprüche

   Wärmetauscher, insbesondere zur Verdampfung von Wasser durch. Wärmeaustausch mit einem flüssigen Metall, wie einem der Alkalimetalle, insbesondere Natrium, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Mehrzahl von rohrförmigen Hüllen besitzt, die in parallelen Ebenen angeordnet sind und jeweils geradlinige Teile aufweisen, die über gebogene Teile zu ebenen Schlangen verbunden und parallel zueinander an Eingangs- und Ausgangssammler für ein erstes am Wärmeaustausch beteiligtes Strömungsmittel, wiefceispielsweise Natrium, angeschlossen sind, wobei jede rohrförmige Hülle eine Mehrzahl von Umlaufrohren für ein zweites am Wärmeaustausch beteiligtes Strömungsmittel, wie beispielsweise Wasser, enthält, deren Enden parallel zueinander mit Eingangs- und Ausgangssammlern für dieses zweite Strömungsmittel verbunden sind, welche Umlaufrohre die Seitenwand der zugehörigen rohrförmigen Hülle an jedem von deren Enden einzeln durchqueren und außerhalb der rohrförmigen Hüllen mit den Sammlern für das zweite Strömungsmittel verbunden sind.
2. 2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sammler für das erste Strömungsmittel im wesentlichen in der Mittelebene der geradlinigen Teile der rohrförmigen Hüllen liegen.

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3. 3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die rohrförmigen Hüllen einander abwechselnd entgegengesetzt gerichtet sind und daß ihre Enden mit den Eingangs- und den Ausgangssammlern für das erste am Wärmeaustausch "beteiligte Strömungsmittel abwechselnd entlang einer von. zwei einander diametral gegenüberliegenden. Erzeugenden der Sammler verbunden sind.

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