DE1950218C3 - Vorrichtung zum Schutz der Außenwand von Wärmeübertragern für mindestens zwei exotherm miteinander reagierende Fluide - Google Patents

Vorrichtung zum Schutz der Außenwand von Wärmeübertragern für mindestens zwei exotherm miteinander reagierende Fluide

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DE1950218C3
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Werner Schnitker
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Description

35
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum +0 Schutz der Außenwand von Wärmeübertragern für mindestens zwei exotherm miteinander reagierende Fluide, wie z. B. Wärmeübertragern für Natrium und Wasser in Kernenergieanlagen, bei der ein Fluid unter höherem Druck in Rohren geführt ist, die von einem anderen Fluid umgeben sind, gegen die Folgen einer Undichtigkeit in den Rohren unier höherem Druck, wobei zwischen den Rohren und der Außenwand mindestens eine die Außenwand gegen die Rohre mindestens teilweise abdeckende metallische Zwischenschicht angeordnet sein kann.
Wärmeübertrager für Natrium und Wasser bestehen aus großen Behältern, die mit Natrium bei hoher Temperatur und verhältnismäßig geringem Druck gefüllt sind. Sie enthalten eine Vielzahl von Rohren mit kleinem Durchmesser, die eng nebeneinanderliegen und Wasser oder Dampf von wesentlich höherem Druck, enthalten. Bei kleinen Undichtigkeiten in den Wasser führenden Rohren tritt ein nadeiförmiger, feiner Wasserstrahl ins Natrium ein und bildet infolge der sofort einsetzenden Natrium-Wasserreaktion eine flammenähnliche Reaktionszone. Trifft diese Flamme auf benachbarte Bauteile, insbesondere auf die Behälteraußenwände, so werden diese in relativ kurzer Zeit durch Hitze und überlagerte Korrosion und Erosion zerstört. Wenn das Natrium-Wassergemisch und der dabei freiwerdende Wasserstoff mit der Außenluft in Berührung kommen, ergeben sich heftige Brände und Explosionen. Ähnliche Folgen sind auch bei anderen, exotherm miteinander reagierenden Fluiden zu erwarten.
Es ist bekannt, zwei exotherm miteinander reagierende Fluide im Wärmeübertrager durch ein drittes, neutrales Fluid zu trennen. Abgesehen von dem konstruktiven Aufwand wird aber auch der erwünschte Wärmeübergang verschlechtert. Weiterhin ist es durch die eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung wiedergebende britische Patentschrift 989 963 bekannt, die Außenwand des Behälters, der zwei exotherm miteinander reagierende Fluide enthält, mit einer zweiten Wand zu versehen und den Zwischenraum mit einem neutralen Stoff, wie z. B. Inertgas, zu füllen. Diese Konstruktion berücksichtigt nur die thermische Belastung der Behälterwand durch die Wärmeentwicklung der Natrium-Wasserreaktion, nicht jedoch die kombinierte Wirkung von Hitze, Korrosion und Erosion, welche die flammciähnlichc Reaktionszone hervorruft. Die Schutzwirkung wird allein dadurch zu erreichen versucht, daß das zwischen der Zwischenschicht und der Behälteraußen wand vorgesehene Gaspolster eine Sperre für den Wärmeübergang bildet.
In der britischen Patentschrift 1 066 972 wird zur Begrenzung der Folgen einer Natriurr. ■Wasserreaktion in einem Wärmeübertrager vorgeschlagen, Bündel von Wärmetauschrohren in einem Schutzrohr anzuordnen. Abgesehen davon, daß dieses Schutzrohr die Strömungsverhä'inisse entlang den Wärmetauschrohren ungünstig beeinflußt, wird eine Ausbreitung der Reaktionszone über einen größeren Teil des Schutzrohres nicht verhindert.
Durch die USA.-Patentschrift 3 446 188 ist auch schon die Umhüllung einzelner Wärmetauschrohre mit einem Schutzrohr bekannt. Da hier jedoch diese Wärmetauschrohre ebenso wie der Behälterraum des Wärmetauschers Natrium führer? dienen diese Schutzrohre, zumindest nicht unmittelbar, dem Schutz der Außenwand des Wärmetauschers.
Ausgehend von einer Vorrichtung der eingangs bezeichneten bekannten Art liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, mit möglichst kleinem Aufwand die Schäden an der Außenwand zu verhindern oder ausreichend zu verzögern, die bei Lecks in den unter höherem Druck stehenden Rohren zu erwarten sind, und beim Vorhandensein einer Zwischenschicht deren Schutzwirkung in der Weise zu verbessern, daß bei der infolge eines Rohrlecks ablaufenden Reaktion die Ausbreitung der Reaktionszone möglichst klein gehalten wird.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird vorgeschlagen, daß auf der Zwischenschicht oder auf der Außenwand selbst mehrere von der Außenwand nach innen sich erstreckende Umlenkwändc angeordnet sind, die nach innen hin offene Umlenkkästen bilden.
Eine sich geradlinig in Richtung auf die gefährdete Außenwand ausbreitende Rcaktionsflamme wird in dem ihr gegenüberliegenden Umlenkkasten abgelenkt, das in dem Umlenkkasten vorhandene Natrium wird herausgespült und so der weitere Kontakt von Natriurr und Wasser in Außenwandnähe verhindert.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Umlcnkwände in Form von Gitterrosten angeordnet sind. Dies gestattet eine fertigungstechnisch einfache und in sich stabile Ausgestaltung der Umlenkwände.
diese
1 S50
Gemäß einer Weiterbildung dieser Ausgestaltung wird vorgeschlagen, daß die Gitterroste auf der Außenwand annähernd dicht aufliegen. Die Gefährdung der Außenwand durch die Flamme äst nur kurzfristig wirksam, da, wie oben beschrieben, da? 5 einzelne Gitterelement von Natrium freigespült und die gefährliche Reaktionszone von der Außenwand entfernt wird. Dabei wird bei einer Ausführung gemäß diesem Merkmai die aufwendige Zwischenschicht eingespart. .
Eine Abwandlung der oben angegebenen Lösung ist dadurch gekennzeichnet, daß die ümlenkwände mit Streifen einer entsprechend aufgeteilten Zwischenschicht zu Halbschalen vereinigt sind, die eir. zelne Rohre auf der der Außenwand zugewandten Hälfte umgeben.
Die beschriebenen Vorrichtungen verhindern oder verzögern Folgeschäden an der tragenden Außenwand jedenfalls so lange, bis ein Leck erkannt und eine weitere Ausbreitung des Schadens durch Abstellen oder Ablassen der gefährdeten Anlageteile vei mieden werden kann.
Die F i g. 1 und 2 zeigen mögliche Ausführungsbeispiele der Erfindung. In beiden Figuren ist mit 1 ein Wasser oder Dampf führendes Rohr bezeichnet, das in einem nicht näher gezeigten, mit Natrium gefüllten Behälter eines Wärmeübertragers angeordnet ist, dessen Außenwand mit 2 bezeichnet ist.
Mit 3 ist ein durch einen Schadenfall entstandenes Leck bezeichnet, aus dem Dampf oder Wasser mit hohem Druck in das umgebende Natrium ausströmt. Die Pfeile 4 zeigen die Strömungsrichtung der im wesentlichen dampf- oder gasförmigen Reaktionsprodukte und die Liniei5 deutet die Gr.jnze zwischen den Reaktionsprodukten und dem Natrium an.
in F i g, 1 ist eine dünne Zwischenwand 6 in geringem Abstand von der zu schützenden Außenwand 2 angebracht. Gitter- oder wabenförmig gestaltete Umlenkwände 7 sind auf der Zwischenwand 6 belesiigt, und diese bilden zum Rohr 1 hin offene Umlenkkiisten, in denen der Dampf- oder Wasserstrahl oder die Flamme der Natrium-Wasserre&ktion abgelenkt werden.
In Fig.2 ist die Halbschale8 ein annähernd halbkreisförmig gebogenes Blech, das in ähnlicher Weise wie in Fig. 1 den aus dem Rohrl austretenden Dampf- oder Wasserstrahl bzw. die Reaktions-. flamme umlenkt und so den direkten Kontakt der Reaktionsprodukte mit der zu schützenden Außenwand vermeidet.
Zu einem möglicheii Ausführungsbeispiel der Erfindung wird angenomn^n, daß in einem Wasserrohr eines Natrium-Wasser-Wärmeübertragers ein Loch von 0,2 bis 0,3 mm Durchmesser entsteht. In diesem Falle werden, ohne damit den Anwendungsbereich der Erfindung einschränken zu wollen, annähernd quadratische Gitterelemente von 10 bis 30 mm Seitenlänge vorgesehen. Die Tiefe dieser Gitterelemente ir. Richtung des vermuteten Wasserstrahls gemessen sollte etwa das l,5fache dieser Seitenlänge betragen.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:
1. Vorrichtung zum Schutz der Außenwand von Wärmeübertragern für mindestens zwei exotherm miteinander reagierende Fluide, bei der ein Fluid unter höherem Druck in Rohren geführt ist, die von einem anderen Fluid umgeben sind, gegen die Folgen einer Undichtigkeit in den Rohren unter höherem Druck, wobei zwischen den Rohren und der Außenwand mindestens eine die Außenwand gegen die Rohre mindestens teilweise abdeckende metallische Zwischenschicht angeordnet sein kann, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Zwischenschicht (6) oder auf der Außenwand selbst mehrere von der Außenwand (2) nach innen sich erstreckende Umlenkwände (7, Randteile der Halbschalen 8) angeordnet sind, die nach innen hin offene Umlenkkästen bilden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkwände (7) in Form von Gitterrosten angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkwände (7) mit Streifen einer entsprechend aufgeteilten Zwischenschicht zu Halbschalen (8) vereinigt sind, die einzelne Rohre (1) auf der der Außenwand (Z) zugewandten Hälfte umgeben.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterroste (7) auf der Außenwand (2) annähere, d dich! aufliegen.
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